新3D打印技术让“心脏绷带”成为可能

CLEAR版本的水凝胶可快速制成所需的形状，并稳固沾黏在潮湿的器官上，成为患者的心脏绷带，帮助患者修复心脏缺陷。图为3D打印出的心脏模型。（ShutterStock）

尽管3D打印技术日新月异，但生物医药在打印一些材料时，容易遇到成品强度和韧性不足的问题。现在美国的两所大学使用新的方法，不仅改善了这些问题，还增加了3D打印技术在生物医药的应用范围。

3D打印机器通过沉积一层层的塑胶、金属甚至活细胞，来创建3D维度的物体。一些科学家使用水凝胶（隐形眼镜的材料）等特殊材料，打印出人造组织、器官和植入物，但这些材料从实验室直接运用到医疗上却有难度。

主要原因是传统的数位光处理（DLP）3D打印技术，是利用光照射使液态水凝胶快速固化成型，但这种方式容易使聚合物链的聚合反应过快结束或反应不完全，从而影响材料整体的强度和韧性。

为了克服这种问题，美国的科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder，CU）与宾州大学（University of Pennsylvania）研究团队开发一种名为“氧化还原引发辅助曝光后连续固化”（CLEAR）技术，让打印的成品拥有高度韧性、可塑性和黏着性。

这项成果于8月2日发表到《科学》杂志上，同时获得24家新闻媒体的报道和超过5,300次的下载。

这种CLEAR技术是在3D打印的水凝胶材料（丙烯酰胺）中添加特殊的氧化还原引发剂，让材料在光照固化后仍能持续进行聚合反应，形成更多聚丙烯酰胺聚合物链，这些链条会进一步缠绕形成高度纠缠的网络结构。

此外，水凝胶整个固化是连续过程，可以在室温下进行，且过程无需涉及光或热等额外步骤。

过程中，他们使用传统的数位光处理（DLP）方法和CLEAR方法，对聚丙烯酰胺材料进行3D打印，并对这些打印的成品进行测验比较。

结果显示，CLEAR方法打印的水凝胶无论是否经过传统的光或热固化，其韧性和抗压力上都比DLP方法打印的水凝胶更加优秀，主要原因在于CLEAR方法打印的水凝胶内部大分子链纠缠程度要远高于DLP方法打印的水凝胶。

另外，CLEAR打印的水凝胶在未固化时，遇水的溶解速度要比DLP打印的水凝胶低上许多，且更不容易变形和膨胀，原因在于大分子链纠缠使材料内的分子变得拥挤，这可以有效减少水分的“入侵”。

为此，实验团队特意用CLEAR方法打印出曲面的多孔几何形状的产品，让它拥有坚硬而柔韧的特性，若打印成超材料晶格（例如八角桁架）、弹簧的模样，其可承受较大的压缩或拉伸力，当外力解除就会恢复成原状。

实验人员还可以把这种水凝胶灌入波浪状的模具中（需进行慢慢冷却），之后将多个波浪状水凝胶接触后就会形成一张聚合物网，也具有高度的韧性和机械性能。

实验人员在获得CLEAR版本的水凝胶基本特性后，将成品贴到猪心脏、湿润的猪肺或胃上，这些水凝胶都牢牢地黏附在上面，且表现出高界面韧性和强度，即便经过磷酸盐缓冲液的清洗（模拟肠胃液体）也不会脱落。

这代表CLEAR版本的水凝胶，不仅可以快速制成所需的形状，还能够适应弯曲的器官，同时能稳固沾黏在潮湿的器官上，即使在器官变大（心脏跳动、胃装食物时）的情况下，也不会出现脱黏或破裂的情况。

另外，它还能承受近43kPa的挤压负载，有利于打印成患者身上不同位置的关节零件，将有可能为新一代生物材料铺平道路。

实验人员提到，以上这些优点有望让CLEAR版本的水凝胶成为患者的心脏绷带，帮助患者修复心脏缺陷，同时帮助医生将组织再生药物直接输送到患者的器官或软骨上，减少使用软骨补片和针缝的问题。

科罗拉多大学博尔德分校生物前沿研究所贾森·伯迪克（Jason Burdick）教授对该校的新闻室表示，“由于心脏和软骨组织的自我修复能力非常有限，因此它们一旦受损就难以恢复到从前。现在通过我们新开发的材料，可以增强这些器官的修复过程，将会对患者产生深远的影响。”

共同第一作者、宾州大学伯迪克实验室（Burdick Lab）的马特戴维森（Matt Davidson）研究员说，“现在我们用此方法打印的黏合材料，它的机械强度足以支撑组织，而这是我们以前从未能够做到的。”

同实验室的研究员阿布舍克·德汉德（Abhishek Dhand）则表示，“这是一种简单的3D加工方法，可以在自己的学术实验室以及工业中使用它来提高材料的机械性能，以适应各种应用问题。这解决了3D打印的大问题。”

团队已经申请临时专利，未来计划进行更多相关研究，以更好地了解人体组织对于此类材料的反应。他们还强调，这种新方法已经涉及研究和制造领域，产生的影响可能远远超出医学范围，其原因是这种新方法无需额外的能量去固化或硬化零件。