研究人员生物3D打印了更坚固的人造肌腱

时间：2021-03-01 08:45 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网3月1日讯，加利福尼亚大学洛杉矶分校萨穆利工程学院的研究人员开发了一种新颖的两管齐下的方法，以增强可用于制造人造腱，韧带和软骨的水凝胶的强度。所构造的合成生物材料模仿天然生物组织的结构，拉伸性和耐用性，并且它们的柔韧性意味着它们可以以以前无法实现的配置进行3D打印。加州大学洛杉矶分校萨穆利分校工程学院材料科学与工程学助理教授何希敏说：“这项工作显示了一种与天然生物组织相当甚至比其强大的人造生物材料的非常有前途的途径。”

增强的显微照片显示了由UCLA材料科学家开发的人造肌腱材料。图像的真实比例为1厘米宽。图片来自UCLA。
制备更强的水凝胶
         水凝胶的内部结构由纵横交错的聚合物或凝胶组成，它们在生物医学应用（如替换组织）中以及在软机器人和可穿戴电子设备中显示出广阔的前景。然而，当前的合成水凝胶尚不足够坚固或耐用，以至于不能充分替代需要在承受重量的同时反复运动和弯曲的组织。
        为了解决这个问题，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一个两阶段的过程，将分子和结构工程相结合，以制造出水凝胶，其韧性是天然组织的十倍。他们选择了FDA批准的聚乙烯醇材料来制作水凝胶原型。
       首先，他们采用了一种称为冷冻浇铸的方法，该方法是一种固化过程，可以产生可与海绵媲美的多孔且浓缩的聚合物。然后，他们进行了盐析处理，以使聚合物链结晶成坚固的原纤维。这两个过程的结合形成了一系列连接结构，这些连接结构跨越了水凝胶中分子级至毫米级的水平，从而使其更牢固，更可拉伸。
      为了测试新型水凝胶的耐用性，研究人员进行了30,000次拉伸测试循环，在整个循环过程中，材料均未出现劣化迹象。

该图显示了不同比例的人造肌腱材料与真实肌腱。图片来自UCLA。
3D打印具有更大的灵活性
在研究过程中，UCLA团队获得了新的水凝胶结构，不仅增强了强度，而且还具有更大的柔韧性。他们认为，这可以实现以前无法实现的水凝胶3D打印。研究人员还证明，通过改变温度，酸度或湿度等方面，可以将此类3D打印结构转换为不同的形状。通过这种方式，水凝胶可以潜在地充当能够施加相当大的力并表现出高弹性的人造肌肉。新型水凝胶具有增强的强度，耐用性和柔韧性，适用于生物医学应用，例如人造肌腱，韧带和软骨。不仅如此，它们还可以在外科手术机器和生物电子学领域显示出希望。

罗格斯研究小组的新型水凝胶基于在几种头足类动物中发现的变色细胞。通过NOAA Okeanos Explorer程序拍摄。
3D打印水凝胶的进展
3D打印水凝胶领域内正在进行大量研究，因为科学家们正在寻求使其更强，更坚韧，更耐用，越来越灵活以扩大其应用范围。仅在最近几个月中，就已经开发出了一种将水凝胶3D打印到其他聚合物中以创建复杂的杂化微结构的新方法，而西班牙领导的研究团队已经3D打印了一种能够加速癌症患者T细胞生成的水凝胶。在其他地方，科学家已着手开发一种新的方法，该方法使用基于纤维素的水凝胶对可调粘弹性材料进行3D打印，以提供具有多方向刚度梯度的零件。

最近，罗格斯大学（Rutgers University）的研究人员创建了光敏3D打印的人造“肌肉”，可以根据需要更改其形状和外观。机器人设备基于一种新颖的水凝胶，该水凝胶受乌贼，章鱼和乌贼细胞的启发。

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