加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校薩穆利工程學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新穎的兩管齊下的方法，以增強(qiáng)可用于制造人造腱，韌帶和軟骨的水凝膠的強(qiáng)度。所構(gòu)造的合成生物材料模仿天然生物組織的結(jié)構(gòu)，拉伸性和耐用性，并且它們的柔韌性意味著它們可以以以前無法實(shí)現(xiàn)的配置進(jìn)行3D打印。加州大學(xué)洛杉磯分校薩穆利分校工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)助理教授何希敏說：“這項(xiàng)工作顯示了一種與天然生物組織相當(dāng)甚至比其強(qiáng)大的人造生物材料的非常有前途的途徑。”

增強(qiáng)的顯微照片顯示了由UCLA材料科學(xué)家開發(fā)的人造肌腱材料。圖像的真實(shí)比例為1厘米寬。圖片來自UCLA。

制備更強(qiáng)的水凝膠

水凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由縱橫交錯(cuò)的聚合物或凝膠組成，它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)應(yīng)用（如替換組織）中以及在軟機(jī)器人和可穿戴電子設(shè)備中顯示出廣闊的前景。然而，當(dāng)前的合成水凝膠尚不足夠堅(jiān)固或耐用，以至于不能充分替代需要在承受重量的同時(shí)反復(fù)運(yùn)動(dòng)和彎曲的組織。

為了解決這個(gè)問題，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員開發(fā)了一個(gè)兩階段的過程，將分子和結(jié)構(gòu)工程相結(jié)合，以制造出水凝膠，其韌性是天然組織的十倍。他們選擇了FDA批準(zhǔn)的聚乙烯醇材料來制作水凝膠原型。

首先，他們采用了一種稱為冷凍澆鑄的方法，該方法是一種固化過程，可以產(chǎn)生可與海綿媲美的多孔且濃縮的聚合物。然后，他們進(jìn)行了鹽析處理，以使聚合物鏈結(jié)晶成堅(jiān)固的原纖維。這兩個(gè)過程的結(jié)合形成了一系列連接結(jié)構(gòu)，這些連接結(jié)構(gòu)跨越了水凝膠中分子級(jí)至毫米級(jí)的水平，從而使其更牢固，更可拉伸。

為了測(cè)試新型水凝膠的耐用性，研究人員進(jìn)行了30,000次拉伸測(cè)試循環(huán)，在整個(gè)循環(huán)過程中，材料均未出現(xiàn)劣化跡象。

該圖顯示了不同比例的人造肌腱材料與真實(shí)肌腱。圖片來自UCLA。

3D打印具有更大的靈活性

在研究過程中，UCLA團(tuán)隊(duì)獲得了新的水凝膠結(jié)構(gòu)，不僅增強(qiáng)了強(qiáng)度，而且還具有更大的柔韌性。他們認(rèn)為，這可以實(shí)現(xiàn)以前無法實(shí)現(xiàn)的水凝膠3D打印。研究人員還證明，通過改變溫度，酸度或濕度等方面，可以將此類3D打印結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為不同的形狀。通過這種方式，水凝膠可以潛在地充當(dāng)能夠施加相當(dāng)大的力并表現(xiàn)出高彈性的人造肌肉。新型水凝膠具有增強(qiáng)的強(qiáng)度，耐用性和柔韌性，適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如人造肌腱，韌帶和軟骨。不僅如此，它們還可以在外科手術(shù)機(jī)器和生物電子學(xué)領(lǐng)域顯示出希望。

羅格斯研究小組的新型水凝膠基于在幾種頭足類動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的變色細(xì)胞。通過NOAA Okeanos Explorer程序拍攝。

3D打印水凝膠的進(jìn)展

3D打印水凝膠領(lǐng)域內(nèi)正在進(jìn)行大量研究，因?yàn)榭茖W(xué)家們正在尋求使其更強(qiáng)，更堅(jiān)韌，更耐用，越來越靈活以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。僅在最近幾個(gè)月中，就已經(jīng)開發(fā)出了一種將水凝膠3D打印到其他聚合物中以創(chuàng)建復(fù)雜的雜化微結(jié)構(gòu)的新方法，而西班牙領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)3D打印了一種能夠加速癌癥患者T細(xì)胞生成的水凝膠。在其他地方，科學(xué)家已著手開發(fā)一種新的方法，該方法使用基于纖維素的水凝膠對(duì)可調(diào)粘彈性材料進(jìn)行3D打印，以提供具有多方向剛度梯度的零件。

最近，羅格斯大學(xué)（Rutgers University）的研究人員創(chuàng)建了光敏3D打印的人造“肌肉”，可以根據(jù)需要更改其形狀和外觀。 機(jī)器人設(shè)備基于一種新穎的水凝膠，該水凝膠受烏賊，章魚和烏賊細(xì)胞的啟發(fā)。

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