賓夕法尼亞州立大學(xué)的Ibrahim Tarik Ozbolat研究人員使用3D打印技術(shù)來(lái)提高PDMS的強(qiáng)度和細(xì)胞粘附力

 

（PDMS），也稱為硅橡膠，具有幾種有用的特性，近在3D打印材料中引起了很多興趣。但是，這是一個(gè)困難的過(guò)程，因?yàn)槟ǔＰ枰焖偌訜岵牧匣蚴褂锰厥饣瘜W(xué)物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行固化。但是，根據(jù)來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員小組，可以使用3D打印技術(shù)來(lái)提高PDMS聚合物的強(qiáng)度和細(xì)胞粘附性。

雖然這種材料zui常用于容易成型的幾何簡(jiǎn)單柔性烤盤和耐熱有機(jī)硅刮刀，但它也可以幫助制造生物機(jī)器，二維和三維細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)，器官上-器官-芯片設(shè)備和片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，它們需要更小，更復(fù)雜的幾何形狀。

易卜拉欣·奧茲波拉特[圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)]

到目前為止，PDMS（聚二甲基硅氧烷或有機(jī)硅）在可成形性和設(shè)備制造方面存在局限性。大多數(shù)研究都是通過(guò)鑄造或微成型完成的，但是這種制造所產(chǎn)生的材料具有較弱的機(jī)械性能以及較弱的細(xì)胞粘附性。”  賓州州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)與生物工程學(xué)副教授  Ibrahim T. Ozbolat解釋說(shuō)   。“研究人員經(jīng)常使用纖連蛋白等細(xì)胞外蛋白使細(xì)胞粘附。”

 

用作3D打印機(jī)“墨水”的任何材料都必須能夠通過(guò)打印噴嘴，并在將其沉積到打印床上后保持其形狀–如果材料變平，滲入或散布，則設(shè)計(jì)完整性就消失了。但是研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)組合兩種不同的聚合物形式– PDMS彈性體Sylgard 184和SE 1700 –他們可以3D打印具有復(fù)雜幾何形狀的有機(jī)硅零件，這些零件具有改善的生物粘附性和機(jī)械特性，而無(wú)需進(jìn)行模制，澆鑄和旋涂。僅制作簡(jiǎn)單表格。

該團(tuán)隊(duì)在ACS生物材料科學(xué)與工程系的一篇名為“ PDMS的3D打印改善了其機(jī)械和細(xì)胞粘附特性 ” 的論文中報(bào)告了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在土耳其科學(xué)技術(shù)研究委員會(huì)和土耳其國(guó)家教育部的支持下，該論文的合著者包括博士后研究員Veli Ozbolat，博士生Madhuri Dey和Bugra Ayan，學(xué)士/碩士生Adomas Povilianskas，工程科學(xué)和力學(xué)教授Melik C. Demirel和Ibrahim Ozbolat。

摘要寫道：“這項(xiàng)研究對(duì)PDMS彈性體在三種濃度下的可印刷性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，用于機(jī)械和細(xì)胞粘附研究。結(jié)果表明，PDMS的3D打印將制造的樣品的機(jī)械性能提高了3倍，而鑄造樣品的機(jī)械性能提高了3倍，這是因?yàn)闅馀萁亓舻目紫堵式档土?。重要的是?D打印促進(jìn)了乳腺癌細(xì)胞的粘附，而鑄模樣品在不使用其他涂層（例如細(xì)胞外基質(zhì)蛋白）的情況下不允許細(xì)胞粘附。”

Sylgard 184不夠粘稠，無(wú)法進(jìn)行3D打印，因?yàn)橐坏⑵鋸膰娮熘袛D出，該材料便會(huì)滲出。但是，當(dāng)以適當(dāng)?shù)谋壤cSE 1700混合時(shí)，它可以工作。

Ozbolat說(shuō)：“我們優(yōu)化了混合物的可印刷性，以控制擠出和逼真度，使其與所印刷的原始圖案相同。”

從PDMS 3D打印手。[圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)的易卜拉欣·塔里克·奧茲波拉特實(shí)驗(yàn)室]

該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了兩種彈性體的混合物，以利用剪切稀化的特性，該特性以前已  與3D打印結(jié)合使用，其中材料在靜止時(shí)表現(xiàn)得像固體，而在施加力時(shí)表現(xiàn)得像液體。

 

在壓力下，大多數(shù)材料變得更粘，而其他材料則具有*相反的響應(yīng)，并且變得更不粘。足夠粘稠的液體可以放在3D打印機(jī)噴嘴中，但是在被推出時(shí)會(huì)變粘，因?yàn)槟浅＿m合3D打印-一旦從噴嘴中出來(lái)，它就會(huì)恢復(fù)粘度和細(xì)線放置在物體上保持其形狀。

當(dāng)PDMS材料成型時(shí)，它具有光滑的表面，并且該材料也是疏水的（不像水）。當(dāng)這些特性結(jié)合在一起時(shí)，材料的模制表面不會(huì)為組織細(xì)胞提供粘附的好地方?？梢酝ㄟ^(guò)使用涂層來(lái)提高細(xì)胞粘附性，由數(shù)千條PDMS細(xì)絲束組成的3D打印表面具有許多細(xì)小的縫隙，這也是細(xì)胞粘附性的理想選擇。

該團(tuán)隊(duì)與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）3D打印交易所合作，獲取了生物特征（例如血管，耳朵，股骨頭，手和鼻子）的圖案，以測(cè)試使用PDMS進(jìn)行3D打印的逼真度，并打印鼻子–人體器官之一，具有復(fù)雜的幾何形狀和空心空腔，不需要支撐材料。

通過(guò)NIH 3D Print Exchange的PDMS 3D打印創(chuàng)建的鼻子。[圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)的易卜拉欣·塔里克·奧茲波拉特實(shí)驗(yàn)室]

“我們用水淋在PDMS鼻子上，并在MRI機(jī)器上成像。我們將3D重建的鼻子圖像與原始圖案進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)我們具有相當(dāng)不錯(cuò)的形狀保真度，” Ozbolat說(shuō)。“當(dāng)我們比較成型或鑄造的PDMS與3D打印的PDMS的機(jī)械特征時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了拉伸強(qiáng)度印刷材料的強(qiáng)度要好得多。”

 

當(dāng)材料通過(guò)微米尺寸的針頭時(shí)，該過(guò)程將去除大部分鎖定在材料中的氣泡。因此，由于PDMS被迫通過(guò)3D打印噴嘴，因此終材料中的氣泡要比鑄造或模制工藝少得多。此外，由于PDMS材料是3D打印的，因此可以將其與其他材料結(jié)合在一起以制造多材料的一件式設(shè)備。如果PDMS包含導(dǎo)電材料，則功能化設(shè)備也將是可能的。