內華達大學雷諾分校金翼飛教授團隊 Adv. Sci.：高速嵌入式墨水書寫技術以構建解剖級人體器官模型
生物3D打印技術正逐步用于構建功能性人體組織和器官模型。作為一種新興的生物3D打印策略，嵌入式墨水書寫技術（Embedded Ink Writing，EIW）在器官打印領域展示出巨大的潛力。然而，受限于傳統EIW技術中支撐浴材料的流變學特性，最高打印速度始終難以突破10 mm/s的瓶頸，無法有效實現全尺寸組織器官模型的快速構建。
近期，美國內華達大學雷諾分校機械工程系Yifei Jin教授課題組與大連理工大學機械工程學院趙丹陽教授團隊、內華達大學雷諾分校機械工程系Yan Wang教授團隊、愛荷華州立大學工業與制造系統工程系Yiliang Liao教授團隊及德克薩斯農工大學Akhilesh K. Gaharwar團隊合作，通過研究納米粒子和不同水凝膠的相互作用，提出了一種納米粒子-水凝膠交互體系以設計具有特殊流變特性的支撐浴材料，并在此基礎上建立了高速嵌入式墨水書寫（High-Speed EIW）策略。該策略將最高打印速度由10 mm/s量級直接提升到100 mm/s量級，實現了4小時成功構建具有解剖學結構精度的人體腎臟模型 （圖1）。Yifei Jin教授課題組博士研究生華偉健和趙丹陽教授課題組博士研究生張誠為該論文共同第一作者。相關工作以“High-Speed Embedded Ink Writing of Anatomic-Size Organ Constructs” 為題發表在Willey旗下《Advanced Science》上。
圖1 High-Speed EIW方法原理圖及應用前景。
科研團隊利用小角中子散射(SANS)，掃描電子顯微鏡(SEM)，能量色散X射線光譜(EDS)，和流變學測試等多尺度表征手段，研究了納米粒子與海藻酸鈉(NaAlg）、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、嵌段共聚物(Pluronic F127）之間不同的相互作用機理。研究發現低濃度海藻酸鈉對納米粒子微觀結構的形成起到促進作用（圖2），聚乙二醇二丙烯酸酯與納米粒子間的相互作用幾乎可以忽略，而高濃度Pluronic F127可以與納米顆粒形成雙重微觀結構，極大提升流變學特性。
圖2 納米粒子與海藻酸鈉相互作用的機理，微觀結構變化，及流變特性的變化。
同時，科研團隊針對不同支撐浴材料的流變特性，研究了其所能承受的最高打印速度及打印過程中所產生的不同細絲（filament）類型。結果證明高屈服應力對細絲在高速打印下的形變和移位有阻礙作用，而較長的觸變響應時間更利于支撐浴的快速愈合（圖3），以實現高速打印的目的。
圖3 不同流變特性的支撐浴材料中細絲成型機理。
利用具有較高屈服應力及較長觸變響應時間的支撐浴材料，科研團隊實現了高速打印解剖學結構精度的人體腎臟模型。該腎臟模型具有血管，尿管，及內部腔體結構（圖4），可在藥物篩選，器官重建等生物醫學領域起到重要的作用。
圖4 高速打印解剖學結構精度的人體腎臟模型。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202405980
