一種基于凝膠擴散的多層異質結構的制作方法

原創(chuàng)： 顧恒、連芩  3D打印分會中國機械工程學會

在生物制造領域，直接打印具有復雜分岔特征的空腔結構目前仍有困難。為此，清華大學歐陽禮亮等人提出一種借助3D 打印模具快速制造多層異質結構的方法，其核心在于借助3D打印技術制作復雜空腔結構的凹模，利用澆注翻模，涂覆外殼，溶解內芯的方法制作多層空腔結構。
當使用離子交聯(lián)的水凝膠時，具體實施步驟如圖1所示，首先制作內芯，將含有CaCl2的明膠溶液倒入定制的3D打印的模具中使其成膠；然后將明膠模型浸沒在海藻酸溶液2~3分鐘，在其表面涂覆一層外膜，在此過程中，明膠內芯中的Ca2+與海藻酸鈉外膜交聯(lián)。重復此步驟可形成多層結構；最后溶解內芯，將多層水凝膠結構的頂端和底部切除后，置于37℃環(huán)境中，內部明膠完全溶解后得到空心結構。

圖1 多層異質結構制造示意圖

當使用光固化交聯(lián)水凝膠時，利用GelMA（含Ca2+）代替明膠（含Ca2+）制作內芯，并向上述第二步海藻酸鈉溶液中添加光引發(fā)劑I2959，此時利用紫外光照射其表面可得到不同厚度的固化層。通過浸入時間、光照強度和原溶液的溶度可調整固化的層厚，如圖2所示。

圖 2多層管狀結構打印實物圖

在隨后的細胞實驗中，通過包埋成纖維細胞、平滑肌細胞、人臍靜脈內皮細胞，使細胞分布在不同層間，模擬實際血管的細胞的分布特征，證明多層結構可維持90%以上的細胞活性，具有良好的生物相容性。此外，利用該技術制造的多層分岔圓管可用于研究大分子運輸和擴散的機理；異質結構可用于藥物控釋、細胞共培養(yǎng)研究。

參考文獻
Ouyang L, Burdick J A, Sun W. Facile Biofabrication of Heterogeneous Multilayer Tubular Hydrogels by Fast Diffusion-induced Gelation.[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(15):12424-12430.

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室