内华达大学雷诺分校金翼飞教授团队 Adv. Sci.：高速嵌入式墨水书写技术以构建解剖级人体器官模型
生物3D打印技术正逐步用于构建功能性人体组织和器官模型。作为一种新兴的生物3D打印策略，嵌入式墨水书写技术（Embedded Ink Writing，EIW）在器官打印领域展示出巨大的潜力。然而，受限于传统EIW技术中支撑浴材料的流变学特性，最高打印速度始终难以突破10 mm/s的瓶颈，无法有效实现全尺寸组织器官模型的快速构建。
近期，美国内华达大学雷诺分校机械工程系Yifei Jin教授课题组与大连理工大学机械工程学院赵丹阳教授团队、内华达大学雷诺分校机械工程系Yan Wang教授团队、爱荷华州立大学工业与制造系统工程系Yiliang Liao教授团队及德克萨斯农工大学Akhilesh K. Gaharwar团队合作，通过研究纳米粒子和不同水凝胶的相互作用，提出了一种纳米粒子-水凝胶交互体系以设计具有特殊流变特性的支撑浴材料，并在此基础上建立了高速嵌入式墨水书写（High-Speed EIW）策略。该策略将最高打印速度由10 mm/s量级直接提升到100 mm/s量级，实现了4小时成功构建具有解剖学结构精度的人体肾脏模型 （图1）。Yifei Jin教授课题组博士研究生华伟健和赵丹阳教授课题组博士研究生张诚为该论文共同第一作者。相关工作以“High-Speed Embedded Ink Writing of Anatomic-Size Organ Constructs” 为题发表在Willey旗下《Advanced Science》上。
图1 High-Speed EIW方法原理图及应用前景。
科研团队利用小角中子散射(SANS)，扫描电子显微镜(SEM)，能量色散X射线光谱(EDS)，和流变学测试等多尺度表征手段，研究了纳米粒子与海藻酸钠(NaAlg）、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、嵌段共聚物(Pluronic F127）之间不同的相互作用机理。研究发现低浓度海藻酸钠对纳米粒子微观结构的形成起到促进作用（图2），聚乙二醇二丙烯酸酯与纳米粒子间的相互作用几乎可以忽略，而高浓度Pluronic F127可以与纳米颗粒形成双重微观结构，极大提升流变学特性。
图2 纳米粒子与海藻酸钠相互作用的机理，微观结构变化，及流变特性的变化。
同时，科研团队针对不同支撑浴材料的流变特性，研究了其所能承受的最高打印速度及打印过程中所产生的不同细丝（filament）类型。结果证明高屈服应力对细丝在高速打印下的形变和移位有阻碍作用，而较长的触变响应时间更利于支撑浴的快速愈合（图3），以实现高速打印的目的。
图3 不同流变特性的支撑浴材料中细丝成型机理。
利用具有较高屈服应力及较长触变响应时间的支撑浴材料，科研团队实现了高速打印解剖学结构精度的人体肾脏模型。该肾脏模型具有血管，尿管，及内部腔体结构（图4），可在药物筛选，器官重建等生物医学领域起到重要的作用。
图4 高速打印解剖学结构精度的人体肾脏模型。
文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202405980
