深圳先进院阮长顺、哈工大韩振宇 Nat. Commun.：变纤维直径3D打印技术为梯度仿生结构构建提供新策略

2024-04-12 来源：高分子科技

具有高适用性的挤出3D打印技术广泛应用于类器官生物制造、组织工程等领域。然而，传统挤出3D打印在墨水沉积轨迹上只可生产固定直径纤维，限制其难以设计制造复杂梯度多孔结构。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员团队联合哈尔滨工大学韩振宇教授团队，医工融合，提出了变纤维直径3D打印技术，为仿生梯度结构构建提供新思路，相关成果发表在Nature Communications期刊，题为“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”。该研究通过定制3D打印运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现挤出3D打印纤维直径的精准控制，革新均匀纤维堆积的传统模式，实现梯度多孔结构的精准制造，为异质器官仿生构建提供新策略。传统挤出3D打印采用平行切片方法，其在层内打印时保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉积形成的纤维直径也保持恒定（如图1a,b）。尽管传统3D打印策略被普遍接受并已成为制造均匀多孔结构的黄金标准，但固定的打印参数和恒定的纤维直径限制了其设计制造复杂梯度多孔结构。为突破传统3D打印策略的限制，研究团队基于体积守恒定律，通过定制运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现各处纤维直径的精准控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如图1c,d）。

图1. 传统3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。

FDA-3DP策略的关键参数为打印速度V和打印高度H。打印速度控制打印轨迹上所沉积纤维的直径，打印高度控制沉积纤维的质量和线性度（如图2）。打印速度过慢会造成墨水堆积严重，打印高度过高将发生卷绳效应。

图2. FDA-3DP新策略的关键参数。

为了证明该策略的有效性，研究团队在10mm尺寸的立方体内设计制造了水平梯度多孔结构（如图3）。通过将打印轨迹与目标梯度相融合实现可控直径纤维的单层定制，并为了避免潜在的局部塌陷，提出固定直径纤维补偿机制（如图3f-i）。进而搭建“设计-制造”工作流程，重写制造代码G-codes，实现梯度多孔结构的挤出3D打印制造。Micro-CT重建数据证明通过该策略制造的水平梯度多孔结构与设计梯度模型的孔尺寸分布存在一致性（如图1d-iv）。

图3. 通过FDA-3DP新策略设计和制造水平梯度多孔结构。

进一步，为了展示FDA-3DP策略的普适应，他们设计制造了轴向和包括点、线、面、体的径向梯度多孔结构，如图4所示。

图4. 设计、制造和评估轴向和径向梯度多孔结构。

为了探索展示FDA-3DP新策略的更深应用，他们设计制造了内嵌HIT字母（哈尔滨工业大学的首字母，Harbin Institute of Technology）的多孔梯度结构。结果显示HIT字母分别完成了在长方体内部的完全贯穿、居中隐藏和居中隐藏并逆时针旋转45°分布（如图5a）。此外，还在立方体内镶嵌V字母，探索了FDA-3DP策略在超结构领域定制局部力学性能的潜在应用（如图5b-d）。

图5. 高度可调孔尺寸的梯度结构（内嵌HIT字母和V字母）。

他们提出的FDA-3DP新策略突破了传统挤出3D打印技术难以加工复杂梯度多孔结构的难题，探索了其在组织工程与仿生器官制造（如骨、软骨、血管）、4D打印等领域的应用可行性（如图6）。

图6. FDA-3DP新策略应用探索。

中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员和哈尔滨工业大学韩振宇教授为论文通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院屈华伟博士后/助理研究员为论文第一作者。该研究获得国家自然科学基金优秀青年项目及面上项目、中国科学院青年创新委员会优秀会员、中国博士后第73批面上项目等多个基金资助。

课题组长期招聘博士后、研究助理等岗位，高分子材料、生物医学工程等背景优先。有意者请将个人简历（pdf）发送至阮长顺研究员邮箱cs.ruan@siat.ac.cn，邮件标题请注明“意向岗位+姓名+毕业学校”。欢迎有志之士加入。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y

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（责任编辑：xu）

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