供稿人：张倍宁、李涤尘 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-04-08
具有物理化学性质梯度和可控三维结构的支架对于复杂组织至关重要,可以使用多材料增材制造(AM)技术生产。但现有的多材料增持制造技术通常只能使用单独的喷头来改变组合，只能实现离散的梯度。为了更好地模拟组织，需要实现连续的成分梯度，需要材料的剂量和混合控制。但目前大多数生物材料都不存在这样的AM解决方案，现有的AM技术也不能选择性地修改支架表面以局部刺激细胞粘附。该研究报告了一种混合AM解决方案来满足上述需求。在制造过程中，双材料打印头可实现连续梯度打印，而且大气压等离子射流可选择性地激活/覆盖于支架上，打印平台如下图1所示。该研究在二维水凝胶和三维热塑性塑料支架中均制备了连续成分梯度。与离散梯度相比，连续梯度的力学性能有所改善，并显示出选择性增强细胞黏附的能力。
图1 打印平台实物图（A）;混合挤出螺杆打印头（B）；等离子体喷嘴（C）
通过设置两个熔融态材料的进料口，实现了多材料连续梯度打印，如下图2所示。打印头可以使用五种不同的材料，覆盖广泛的粘度范围，对原材料进行了流变学测量，包括在经验确定的印刷温度下，材料在不同剪切速率下的粘度测量(图2A)。通过在单个平面上连续打印来测试梯度打印的能力，将送料压力从只施加到一种材料到只施加到另一种材料，并监测挤压成分如何响应(图2B)。B中的顶部面板示意图显示了使用两种不同材料(蓝色和黄色)的打印路径，打印路径上的位置，压力被施加到一种材料上，替换到另一种材料(由各自颜色的信号表示)，以及对打印路径上材料成分的影响。信号应用后成分切换时间的经验知识被用于打印一个长骨缺损形状的支架，其核心是聚合物和负载ha的聚合物皮质区域(图2C)。图2C中的顶部图像显示了一个长骨缺损形状的支架，使用了HA合成梯度。
图2 混合熔融挤出打印测试
在本次研究中，还实现对支架进行梯度的等离子处理，以实现支架不同区域不同程度的生物活化，如下图3所示。等离子化的实现装置由一个双电源和等离子体气体质量流量控制器(Ar)、屏蔽/冷却气体(N2),和两个前体载气组成(Ar) (图3a)。喷嘴周围形成一层保护气体 (图3B),对等离子体屏蔽气体的比例进行了计算和模型优化(C, D)，使用流和扩散模型的组合 (C)。模型表明, 相对于等离子体气体，增加保护气体的流动,能够实现更大的空气隔离，如图所示，当衬底附近测量到更大的等离子体半径(R)时，空气浓度降至零。等离子体射流集成在打印机平台(E)上，一层接一层的连续打印和等离子体处理，显示了完全等离子体处理支架或在3D中指定位置等离子体处理支架的能力，如图3F所示，等离子处理后的支架(从左到右)为(i)底部和顶部10层等离子处理，中间20层未处理;(ii)中间10层等离子处理，顶部和底部15层未处理;(iii)所有层均经过等离子体处理。
图3 等离子处理过程及梯度样件
该研究开发出的混合平台为创建不同梯度和非梯度支架打开了无限的可能性，并有可能微调材料组成和表面性能。如何实现快与慢的连续成分梯度变化，不同细胞的响应仍有待测试。此外，还可以通过不同材料类型的组合，使生产的支架存在编程变形行为。以及通过利用连续的梯度来组合那些不能很好地粘在一起或在机械性能上有很大差异的材料。该研究使用的混合平台技术，未来有许多可能性。