Nature Communications?|?變纖維直徑3D打印技術(shù)為器官仿生構(gòu)建提供新策略
2024年4月4日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所退行性中心阮長(zhǎng)順團(tuán)隊(duì)在Nature Communications在線發(fā)表題為“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”的研究性工作。該研究通過定制3D打印運(yùn)動(dòng)軌跡上的打印速度和打印高度,實(shí)現(xiàn)擠出3D打印纖維直徑的精準(zhǔn)控制,革新均勻纖維堆積的傳統(tǒng)模式,實(shí)現(xiàn)梯度多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)制造,為異質(zhì)器官仿生構(gòu)建提供新策略。

原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y
擠出式3D打印為最常見的3D打印技術(shù),具有高適用性,廣泛應(yīng)用于類器官體外制造與組織工程等前沿領(lǐng)域。然而,傳統(tǒng)擠出3D打印采用平行切片方法,其在層內(nèi)打印時(shí)保持恒定的打印速度V和打印高度H,沉積形成的纖維直徑也保持恒定,嚴(yán)重限制了其設(shè)計(jì)制造復(fù)雜梯度多孔結(jié)構(gòu)(如圖1a,b)。為了突破傳統(tǒng)3D打印策略的限制,研究團(tuán)隊(duì)基于體積守恒定律,通過定制運(yùn)動(dòng)軌跡上的打印速度和打印高度,實(shí)現(xiàn)各處纖維直徑的精準(zhǔn)控制,提出FDA-3DP(filament diameter-adjustable 3D printing)新策略(如圖1c,d)。

圖1. 傳統(tǒng)3D打印策略vs. FDA-3DP(filament diameter-adjustable 3D printing)新策略。
為了證明該策略的有效性,研究團(tuán)隊(duì)在10mm尺寸的立方體內(nèi)設(shè)計(jì)制造了水平梯度多孔結(jié)構(gòu)(如圖2)。通過將打印軌跡與目標(biāo)梯度相融合實(shí)現(xiàn)可控直徑纖維的單層定制,并為了避免潛在的局部塌陷,提出固定直徑纖維補(bǔ)償機(jī)制(如圖2f-i)。進(jìn)而搭建“設(shè)計(jì)-制造”工作流程,重寫制造代碼G-codes,實(shí)現(xiàn)梯度多孔結(jié)構(gòu)的擠出3D打印制造。Micro-CT重建數(shù)據(jù)證明通過該策略制造的水平梯度多孔結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)梯度模型的孔尺寸分布存在一致性(如圖1d-iv)。

圖2. FDA-3DP新策略設(shè)計(jì)和制造梯度多孔結(jié)構(gòu)。
我們提出的FDA-3DP新策略突破了傳統(tǒng)擠出3D打印技術(shù)難以加工復(fù)雜梯度多孔結(jié)構(gòu)的難題,在組織工程與器官體外仿生制造(如骨、軟骨、血管)、4D打印等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了驗(yàn)證(如圖3),有望為器官仿生構(gòu)建提供新策略。

圖3. FDA-3DP應(yīng)用探索。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院阮長(zhǎng)順研究員和哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓振宇教授為論文共同通訊作者,課題組屈華偉博士后/助理研究員為論文第一作者,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院潘浩波研究員、呂維加研究員和劉志遠(yuǎn)研究員對(duì)文章工作中做出重要貢獻(xiàn),課題組劉開政副研究員和高崇健碩士參與論文部分研究工作。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)青及面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)委員會(huì)優(yōu)秀會(huì)員、博士后面上項(xiàng)目等多個(gè)基金的支持。
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