天津大学:3D打印高强度抗膨胀水凝胶

3D打印科研前沿
2021
06/07
14:54
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供稿人:王清瑞、田小永 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室

天津大学提出了一种自增稠自增强策略,在热可逆低强度水凝胶中加入高浓度单体,直接3D打印高强度水凝胶。其中,低强度水凝胶用于增稠浓缩单体,为3D打印水凝胶提供适当的粘度,这些水凝胶进一步聚合,最终生成高强度和抗膨胀的水凝胶。此外,将自增稠的高强度水凝胶打印到半月板中,作为替代物植入膝关节,结果显示出其能够有效缓解软骨表面的磨损。自增稠策略适用于在不牺牲机械强度的情况下直接打印各种聚合物水凝胶基组织工程支架,从而避免了印刷高强度水凝胶的问题,扩大了其应用范围。

半月板损伤被认为是一种严重的肌肉骨骼疾病,尽管目前的半月板切除术可以部分缓解疼痛,但关节软骨退行性变甚至骨关节炎的风险仍然存在。因此,设计与天然半月板几何形状相似、力学性能高的半月板替代物是维持关节健康的重要条件。过去,关于半月板打印,很少有研究致力于制造高强度和溶胀稳定的水凝胶,从而评估其作为半月板替代物在体内的应用。

水凝胶材料具有剪切变稀和刺激响应性,适合通过直写的工艺制备超分子聚合物组织工程支架,但是它的可打印性和机械性能往往是不可兼得的,这是因为低浓度的单体对氢键密度的稀释作用,具有易打印特性的水凝胶往往会在机械强度上具有极大牺牲,而在高浓度下获得的高强度水凝胶不易打印。

为了解决可打印性和高强度之间的矛盾,作者提出了3D印刷人工半月板的自增稠和自增强策略。其核心思想是制备低浓度的低强度的热可逆水凝胶,将浓缩的单体装入其中形成油墨,通过热辅助挤出的3D打印技术进行制备。在打印自支撑支架后,对封装、浓缩的单体进一步聚合,从而抵消增稠剂的低强度。结构打印流程图如图1所示。

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图1 3D打印自增稠自增强PNAGA超分子聚合物的高强度防静电水凝胶策略示意图
研究人员首先合成了一系列水溶液体系以确定用于构建软热可逆水凝胶的合适单体浓度范围,使用倒置小瓶法研究了25℃和90℃下不同浓度的凝胶-溶胶转变行为。低浓度体系保持液态,高浓度体系在室温下开始呈现凝胶状态。因此,选择浓度范围为3-4 %的PNAGA凝胶来制备3D打印墨水。

在接下来的实验中,作者打印了PNAGA水凝胶基半月板支架,该支架植入兔膝关节,半月板从后腿完全移除(如图2a,b所示)。术后4周,从兔的步态观察发现,阳性组(半月板切除)由于缺乏半月板保护功能,不能正常行走或跳跃。相反,植入PNAGA半月板置换术的兔(实验组)表现正常,阴性组(假手术)。重新打开组织,印刷PNAGA水凝胶支架仍然位于治疗部位,没有断裂或挤压出关节。

根据软骨保护的大体观察,不同组的软骨退变程度不同(图2c)。与半月板切除组相比,实验组的磨损较小,表明植入三维打印PNAGA水凝胶支架可以很好地保护软骨损伤。此外,染色实验(图2d)表明,3D打印PNAGA水凝胶支架可以在1个月内有效地减轻软骨表面的磨损和退变,从而防止骨关节炎的发生。

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图2 3D打印半月板植入兔膝
参考文献:
Ziyang Xu, Chuanchuan Fan, Qian Zhang, Yang Liu, Chunyan Cui, Bo Liu, Tengling Wu, Xiaoping Zhang, and Wenguang Liu. A Self-Thickening and Self-Strengthening Strategy for 3D Printing High-Strength and Antiswelling Supramolecular Polymer Hydrogels as Meniscus Substitutes. Advanced Functional Materials. 2021.


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