供稿人：張倍寧、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-04-08
具有物理化學(xué)性質(zhì)梯度和可控三維結(jié)構(gòu)的支架對于復(fù)雜組織至關(guān)重要,可以使用多材料增材制造(AM)技術(shù)生產(chǎn)。但現(xiàn)有的多材料增持制造技術(shù)通常只能使用單獨(dú)的噴頭來改變組合，只能實(shí)現(xiàn)離散的梯度。為了更好地模擬組織，需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)的成分梯度，需要材料的劑量和混合控制。但目前大多數(shù)生物材料都不存在這樣的AM解決方案，現(xiàn)有的AM技術(shù)也不能選擇性地修改支架表面以局部刺激細(xì)胞粘附。該研究報告了一種混合AM解決方案來滿足上述需求。在制造過程中，雙材料打印頭可實(shí)現(xiàn)連續(xù)梯度打印，而且大氣壓等離子射流可選擇性地激活/覆蓋于支架上，打印平臺如下圖1所示。該研究在二維水凝膠和三維熱塑性塑料支架中均制備了連續(xù)成分梯度。與離散梯度相比，連續(xù)梯度的力學(xué)性能有所改善，并顯示出選擇性增強(qiáng)細(xì)胞黏附的能力。
圖1 打印平臺實(shí)物圖（A）;混合擠出螺桿打印頭（B）；等離子體噴嘴（C）
通過設(shè)置兩個熔融態(tài)材料的進(jìn)料口，實(shí)現(xiàn)了多材料連續(xù)梯度打印，如下圖2所示。打印頭可以使用五種不同的材料，覆蓋廣泛的粘度范圍，對原材料進(jìn)行了流變學(xué)測量，包括在經(jīng)驗(yàn)確定的印刷溫度下，材料在不同剪切速率下的粘度測量(圖2A)。通過在單個平面上連續(xù)打印來測試梯度打印的能力，將送料壓力從只施加到一種材料到只施加到另一種材料，并監(jiān)測擠壓成分如何響應(yīng)(圖2B)。B中的頂部面板示意圖顯示了使用兩種不同材料(藍(lán)色和黃色)的打印路徑，打印路徑上的位置，壓力被施加到一種材料上，替換到另一種材料(由各自顏色的信號表示)，以及對打印路徑上材料成分的影響。信號應(yīng)用后成分切換時間的經(jīng)驗(yàn)知識被用于打印一個長骨缺損形狀的支架，其核心是聚合物和負(fù)載ha的聚合物皮質(zhì)區(qū)域(圖2C)。圖2C中的頂部圖像顯示了一個長骨缺損形狀的支架，使用了HA合成梯度。
圖2 混合熔融擠出打印測試
在本次研究中，還實(shí)現(xiàn)對支架進(jìn)行梯度的等離子處理，以實(shí)現(xiàn)支架不同區(qū)域不同程度的生物活化，如下圖3所示。等離子化的實(shí)現(xiàn)裝置由一個雙電源和等離子體氣體質(zhì)量流量控制器(Ar)、屏蔽/冷卻氣體(N2),和兩個前體載氣組成(Ar) (圖3a)。噴嘴周圍形成一層保護(hù)氣體 (圖3B),對等離子體屏蔽氣體的比例進(jìn)行了計算和模型優(yōu)化(C, D)，使用流和擴(kuò)散模型的組合 (C)。模型表明, 相對于等離子體氣體，增加保護(hù)氣體的流動,能夠?qū)崿F(xiàn)更大的空氣隔離，如圖所示，當(dāng)襯底附近測量到更大的等離子體半徑(R)時，空氣濃度降至零。等離子體射流集成在打印機(jī)平臺(E)上，一層接一層的連續(xù)打印和等離子體處理，顯示了完全等離子體處理支架或在3D中指定位置等離子體處理支架的能力，如圖3F所示，等離子處理后的支架(從左到右)為(i)底部和頂部10層等離子處理，中間20層未處理;(ii)中間10層等離子處理，頂部和底部15層未處理;(iii)所有層均經(jīng)過等離子體處理。
圖3 等離子處理過程及梯度樣件
該研究開發(fā)出的混合平臺為創(chuàng)建不同梯度和非梯度支架打開了無限的可能性，并有可能微調(diào)材料組成和表面性能。如何實(shí)現(xiàn)快與慢的連續(xù)成分梯度變化，不同細(xì)胞的響應(yīng)仍有待測試。此外，還可以通過不同材料類型的組合，使生產(chǎn)的支架存在編程變形行為。以及通過利用連續(xù)的梯度來組合那些不能很好地粘在一起或在機(jī)械性能上有很大差異的材料。該研究使用的混合平臺技術(shù)，未來有許多可能性。