水凝膠是一種保持大量水分而又不溶解的交聯(lián)聚合物。 這類材料柔軟、濕潤并且具備很強的生物相容性。在組織再生、醫(yī)療器械、柔性機器人和可控藥物釋放等領域，水凝膠已經(jīng)或有希望帶來革命性的創(chuàng)新。然而，傳統(tǒng)人工合成的水凝膠在自然條件下通常比較脆弱，并且很難制造出精細的三維復雜形狀。近日，麻省理工學院機械工程系趙選賀以及杜克大學和哥倫比亞大學的合作團隊開發(fā)了一種基于3D打印來制造強韌水凝膠三維復雜微結構的新方法。
 

《Advanced Materials》
 

    近日，麻省理工學院機械工程系副教授趙選賀團隊開發(fā)了一種制造強韌水凝膠精細結構的新方法。通過這種方法，麻省理工團隊可以把超韌水凝膠打印成各種三維復雜形狀和微結構，并且能把各種人體細胞封裝在水凝膠中。由于3D打印的水凝膠力學性能十分強韌，而且具有生物活性；這種新方法為再生軟骨、關節(jié)、頸椎間盤、肌腱等承力的人體組織提供了一個定量精細設計的新方向。用這種新方法也可能制造出有生命活性的柔軟機器以及軟體機器人。

    傳統(tǒng)的人工合成水凝膠在自然條件下通常比較脆弱，比如果凍、明膠等，用手輕輕一碰，就很容易碎裂。在過去的 十多年，科學家們采用了很多不同的方法以提高水凝膠的力學性能， 比如添加增韌顆粒、設計雙網(wǎng)絡水凝膠以及引入增強纖維等等。這些設計方法的基本原理是通過不同機理在不同尺度上提高水凝膠的韌性、強度和拉伸性能。趙選賀教授團隊研制了一種新的“雙網(wǎng)絡納米粘土水凝膠”作為3D打印的油墨。組成這種3D打印油墨的一種高分子網(wǎng)絡能夠提供超強的彈性，而另一種高分子則可以及時消耗能量。雖然每個高分子網(wǎng)絡在單獨存在時十分脆弱，但一旦互相結合，就會變得十分堅韌和結實，不會像傳統(tǒng)的合成水凝膠那樣容易斷裂。兩種高分子網(wǎng)絡中還被加入了具有生物相容性的納米粘土，這種納米粘土可以有效控制水凝膠的粘性，使得研究人員能夠精確控制3D打印機噴頭的流速，進而有效控制3D打印水凝膠的結構和精度。

    這種強韌水凝膠可以被3D打印成鼻子、耳朵、關節(jié)、空心立方體、金字塔、半球以及扭曲的纖維束等多種三維復雜形狀。此外，打印后的結構還具有超強的彈性和拉伸性能。一個3D打印的金字塔結構可以被壓縮95%的厚度，不過一旦卸載，還能迅速而輕易地恢復成原來的形狀；而3D打印的多層網(wǎng)格，可以被反復拉伸至原長的5倍。

    除此以外，這種3D打印的水凝膠可以封裝多種人體細胞，并保持細胞的活性。這些優(yōu)越的綜合性能表明這種超級水凝膠最終很有可能取代人體組織，例如關節(jié)、軟骨、耳朵和鼻子等。3D打印強韌水凝膠技術也為人造組織再生提供了可能。哈佛大學生物工程學教授David Mooney評價到：“這項技術真正意義上推動了韌性水凝膠的實際應用。這個工作也證明了，用常用的生醫(yī)聚合材料也可以合成力學性能相仿的超級水凝膠，這也是重要突破。
 

這種強韌水凝膠可以被3D打印成鼻子、耳朵、關節(jié)、空心立方體、
金字塔、半球以及扭曲的纖維束等多種三維復雜形狀
 

    這項研究成果于6月發(fā)表在《Advanced Materials》上。目前趙選賀團隊在進一步改進3D打印水凝膠的精度，并且融合多種功能性材料，以進一步開發(fā)3D打印智能活性軟材料在力、電、磁、光耦合下的多功能用途。期待在不久的將來，3D打印水凝膠在生物、醫(yī)療、機械等多領域發(fā)揮日益廣泛的作用。

責任編輯：李玲珊

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