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8月5日，最新一期Nature正刊更新了一项3D打印技术研究——来自清华大学机械工程系的欧阳礼亮教授团队发表了题为“In‑situ particle‑to‑fibre transformation of hydrogels for 3D printing”的文章。
这项研究提出了一种名为Shift的全新3D打印技术，它解决了生物制造的一项重要难题——让3D打印的人造组织，从无序凝胶，变成了内部拥有清晰脉络，能像真实肌肉那样收缩，并具有神经那样定向传导能力的仿生活组织。
但你能想象到，这项突破的灵感是受到了兰州拉面制作过程的启发吗？！
真实的肌肉、神经和血管，内部都是高度有序的平行纤维结构，也就是它们都是有方向性的，这在该领域又被称为是各向异性。
采用挤出式3D打印（直接墨水书写）水凝胶等软材料，是目前常用的生物制造手段，它像挤牙膏一样把材料从喷嘴中挤出，然后层层堆叠成三维结构，通常被研究人员用来制造各向异性组织。
但该技术存在两个难题。
一个是流动性和定型，墨水的流动性必须足够好（够稀）才能挤出，但要保证打印的形状不塌陷又需要墨水足够稠，解决该问题的方法通常是使用支撑浴。
另一个问题更为困难，怎样在组织内部制造出精细的微结构来实现各向异性。通常使用的方法包括更换喷嘴、预设流道等，以及利用剪切力让墨水中的分子链或预先混入的短纤维被迫顺着流动方向排列。但这些方式要么受制于喷嘴的物理尺寸极限，没办法制作更精细的结构；要么是短纤维/分子链排列不均匀，很难做出高品质、整齐划一的内部取向结构。
清华大学团队开发了一种新方法，称之为“剪切-拉伸诱导原位颗粒-纤维转变”方法，缩写为SHIFT。就如同前文所述，它的开发灵感来源于拉面制造工艺，可以把该过程理解为“边打印、边拉扯”的精密制造过程。
整个制造过程分四个步骤——配制墨水、打印挤出、定型和后处理。
墨水包含两种特性完全相反的材料混合而成，分别为遇热变软、遇冷变硬的明胶，以及遇热变硬、遇冷则变软的泊洛沙姆。在这项技术中，明胶颗粒均匀地悬浮在液态的泊洛沙姆溶液中，制成打印墨水。
墨水装入打印机后，会从类似针头的喷嘴挤出。因“针头”内部存在收缩区，流速会急剧增加，在流动方向上会产生黏性拉力，把原本的明胶颗粒像拉面一样瞬间拉长，变成极细的纤维，其直径最小为5μm。
这个过程必须配合精确的温度控制，在所设定的环境中，明胶颗粒受热变软能够被拉伸，而包裹它的溶液则因受热开始凝固变硬。两种材料完全相反的属性，让刚被拉长的明胶细丝直接被周围凝固的“壳”锁定困住。
研究人员发现，这种制造方法能够同时打印多种组分，也就是说，在打印过程中，可以加入多种颗粒，最终在挤出的细丝中包含平行排列的不同纤维束。此外，最终的纤维粗细与通道的收缩程度和初始颗粒大小共同决定，跟挤出速度几乎不相关，研究人员能够准确预测纤维直径。
最后一步是根据最终用途选择后处理方案。例如是需要植入，还是用作培养基，可以选择是否去除外壳结构。
如果最终用途是做植入，在洗掉外壳之后需要注入真正的生物基质，再进行紫外光固化让整体结构重新定型。
需要注意的是，外壳在洗掉时，内部的纤维也会变成散乱状态。但研究人员在墨水配制时，可以在明胶颗粒中引入了光固化成分，在洗掉外壳之前，先对打印出来的整体照射紫外光，就能内部纤维彻底定型。之后，洗掉外壳的纤维可以用于构建血管网络，也可以注入生物基质再固化用于植入。
研究人员探索了这项技术在再生医学领域的应用可行性。
他们把肌肉细胞裹进打印结构后，细胞能够沿着微纤维生长，能够融合成长3mm的肌管，而且能在培养皿里能自发抽动。
进一步的，他们还对小鼠进行了大块肌肉缺损修复实验。将打印好的含细胞的SHIFT支架植入8周后，其肌肉恢复效果、步态、抓力等，几乎接近健康小鼠。
此外，还验证了引导断裂神经定向再生的效果，SHIFT技术打印的支架成功桥接了断端。
这项研究发现了拉伸流变和相反相转变的软物质变形的物理现象，并将其用于3D打印来实现功能性生物组织微结构的制造，未来在医疗领域或有重要应用空间。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。
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