浙大楊華勇院士團隊：生物軟材料的順序交聯式液滴對撞噴墨3D打印工藝

來源：生物制造工藝與裝備團隊

一種新的基于液滴對撞的生物軟材料噴墨3D打印工藝近期引起關注，因其在打印結構的組成、拓撲和性質的時空控制方面展現出巨大的體素增材制造前景，在組織工程、藥物控釋、生物電子、軟體機器人和食品科學等應用領域極具潛力。然而，該新型工藝發(fā)展面臨適用生物軟材料有限和工藝機理模糊等問題，限制了其性能提升和廣泛應用。

為解決這些痛點，浙大機械學院楊華勇院士團隊的尹俊教授組和浙大邵逸夫醫(yī)院王一帆教授組合作，提出一種順序交聯式液滴對撞噴墨3D打印方法（圖1）并闡明了工藝過程的動力學（圖2-4），該方法有效拓展了可打印材料范圍并展示出優(yōu)異的成形性能（圖5）和生物相容性（圖6）。相關成果以“Sequential-crosslinking facilitated droplet-droplet collision inkjet 3D printing of soft biomaterials”為題于2025年5月9日發(fā)表在增材制造旗艦期刊《Additive Manufacturing》上。

圖1. 順序交聯式液滴對撞噴墨3D打印方法

圖1分別展示了該方法打印光交聯（e.g., GelMA）和非光交聯（e.g., PEDOT:PSS）生物軟材料的原理及過程。該方法同時涉及主墨水和輔墨水兩種墨水，主墨水主要包含目標生物材料原液（如GelMA或PEDOT:PSS）和另一種可快速交聯生物軟材料原液（本研究選擇海藻酸鈉），而輔墨水主要由流變調節(jié)成分PEG、目標生物軟材料交聯劑和海藻酸鈉交聯劑Cacl2構成。通過兩個傾斜的壓電噴墨噴嘴同時噴射主墨水和輔墨水液滴，并控制兩種液滴在空中發(fā)生碰撞和融合，每個融合液滴內部海藻酸鈉的離子交聯被觸發(fā)，部分交聯的融合液滴被堆積成設計的3D結構，最后再將結構中的目標生物材料進一步固化。該方法中，通過空中液滴對撞觸發(fā)的海藻酸鈉離子交聯具有維持打印結構和固定每個液滴中目標生物軟材料兩個作用。

該方法不僅實現了液滴產生和液滴沉積之間的粘彈性解耦——即液滴產生需要較低的粘彈性，而液滴沉積并組裝為3D結構需要相對較高的粘彈性，同時分離了目標生物軟材料的成形和交聯，尤其適合慢交聯生物軟材料成形（如本研究展示的GelMA）。

為了深入理解液滴對撞噴墨3D打印過程的成形機理以指導打印過程優(yōu)化和精準調控，在穩(wěn)定形成液滴的前提下（圖2），對不同材料和工藝條件下的液滴對撞過程動力學進行了詳細分析，揭示了聚結和拉伸分離兩種不同的液滴對撞模式，穩(wěn)定的打印過程需要聚結模式而避免拉伸分離模式；并建立了碰撞模式的無量綱相圖和模式轉變的半經驗模型（圖3）。進一步對合并后液滴的沉積規(guī)律和2D打印性能進行了探究（圖4），本研究實驗設置下，可實現最小114 微米點直徑和最小122微米線寬，優(yōu)于已有液滴對撞噴墨3D打印研究。

圖2. 墨水流變曲線及穩(wěn)定的液滴形成過程

圖3. 液滴對撞行為及其無量綱相圖

兩種液滴對撞模式

圖4. 對撞融合后液滴的沉積行為及2D成形

圖5展示了順序交聯式液滴對撞噴墨3D打印方法的成形能力，包括含GelMA的金字塔，空心圓管等結構，以及含PEDOT:PSS的金字塔和復雜曲率特征結構等。圖6中打印人臍帶靜脈內皮細胞HUVECs的結果展示了該方法良好的生物相容性。

圖5. 不同生物軟材料的復雜結構3D成形

圖6. 載HUVECs活細胞的生物打印及活性和增值表征

經費來源：該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃（2024YFB4607700）的支持。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104809