一种基于凝胶扩散的多层异质结构的制作方法

原创： 顾恒、连芩  3D打印分会中国机械工程学会

在生物制造领域，直接打印具有复杂分岔特征的空腔结构目前仍有困难。为此，清华大学欧阳礼亮等人提出一种借助3D 打印模具快速制造多层异质结构的方法，其核心在于借助3D打印技术制作复杂空腔结构的凹模，利用浇注翻模，涂覆外壳，溶解内芯的方法制作多层空腔结构。
当使用离子交联的水凝胶时，具体实施步骤如图1所示，首先制作内芯，将含有CaCl2的明胶溶液倒入定制的3D打印的模具中使其成胶；然后将明胶模型浸没在海藻酸溶液2~3分钟，在其表面涂覆一层外膜，在此过程中，明胶内芯中的Ca2+与海藻酸钠外膜交联。重复此步骤可形成多层结构；最后溶解内芯，将多层水凝胶结构的顶端和底部切除后，置于37℃环境中，内部明胶完全溶解后得到空心结构。

图1 多层异质结构制造示意图

当使用光固化交联水凝胶时，利用GelMA（含Ca2+）代替明胶（含Ca2+）制作内芯，并向上述第二步海藻酸钠溶液中添加光引发剂I2959，此时利用紫外光照射其表面可得到不同厚度的固化层。通过浸入时间、光照强度和原溶液的溶度可调整固化的层厚，如图2所示。

图 2多层管状结构打印实物图

在随后的细胞实验中，通过包埋成纤维细胞、平滑肌细胞、人脐静脉内皮细胞，使细胞分布在不同层间，模拟实际血管的细胞的分布特征，证明多层结构可维持90%以上的细胞活性，具有良好的生物相容性。此外，利用该技术制造的多层分岔圆管可用于研究大分子运输和扩散的机理；异质结构可用于药物控释、细胞共培养研究。

参考文献
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.

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室