生物3D打印最困難的部分之一就是開發(fā)用于形成3D打印組織的支架。最近，伊利諾伊大學(xué)工程師發(fā)現(xiàn)了一種材料，就是小孩都愛吃的糖特別是異麥芽酮糖醇，可以制作 3D 打印的支架。
異麥芽酮糖醇是一種糖醇，用于制造潤喉糖，可以減輕喉嚨疼痛，在一些情況下還能救命。
3D打印的心臟模型
伊利諾伊大學(xué)的工程師們制造了一款3-D打印機，它為商業(yè)3-D打印機無法完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印提供了一個十分完美的解決方案：它不是一層一層逐層堆積的固體外殼，而是制造了一個精致的硬化絲帶網(wǎng)絡(luò)，類似于棉花糖類型。
這種水溶性、可生物降解的玻璃糖結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)工程，癌癥研究和器件制造中有著廣泛的應(yīng)用。
生物工程學(xué)教授兼伊利諾斯州癌癥中心主任Rohit Bhargava說：“這是一種很好的方式來制造復(fù)雜形狀，我們可以在其周圍加入柔軟材料或生長細(xì)胞和組織，然后再將支架溶解掉。一種可能的應(yīng)用就是在實驗室中生長組織或研究腫瘤。比如，細(xì)胞培養(yǎng)通常是在表面皿中進(jìn)行，雖然給了我們細(xì)胞的一些特征，但它并不是一個非常好的方式來觀察其在身體中是如何起作用的。在身體中，它有明確的形狀，形狀和功能密切相關(guān)。”
在Additive Manufacturing雜志上發(fā)表的一篇論文中，該研究小組描述了自由形式打印用的材料和產(chǎn)品性能。自由形式意味著當(dāng)噴嘴在空間中移動時，熔化的材料變硬，在后面留下堅固的結(jié)構(gòu)——就像在半空中畫圖一樣。
機器打印自由形態(tài)，融化的糖在空氣中硬化。來源：Matthew Gelber
“在材料和力學(xué)之后，第三部分是計算機科學(xué)，”Gelber說。“你有一個你想要制作的東西的設(shè)計;你如何告訴打印機來制作它？你如何計算出打印所有這些相交細(xì)絲的順序，使其不會折疊？”
伊利諾伊州的研究人員與香格里拉大學(xué)沃爾夫勒姆研究中心的Greg Hurst（格雷格赫斯特）合作，創(chuàng)建了一種算法來設(shè)計支架并繪制出印刷路徑。
Bhargava說，這種自由形態(tài)結(jié)構(gòu)所具有的一個優(yōu)點是它們能夠制造出具有圓形橫截面的細(xì)管，這在傳統(tǒng)的聚合物三維印刷中是不可能的。當(dāng)糖溶解時，它會留下一系列連接的圓柱形管和隧道，這些管和隧道可以像血管一樣用于運輸組織中的營養(yǎng)物質(zhì)或在微流體裝置中形成通道。
由異麥芽酮糖制成的3-D印刷的兔子與用于生物醫(yī)學(xué)成像的發(fā)光紅色染料混合。來源：TroyComi
另一個優(yōu)點是能夠通過對打印機參數(shù)進(jìn)行微小的改變來精確控制結(jié)構(gòu)每個部分的機械特性。
“例如，我們打印了一個兔子，原則上，我們可以改變兔子尾巴的機械特性，使其不同于兔子的背部，與耳朵也不同，”Bhargava說。 “這在生物學(xué)上非常重要，在逐層印刷中，你擁有相同的材料，并且堆疊的數(shù)量相同，因此調(diào)整機械性能非常困難。”
Bhargava的研究小組已經(jīng)在各種微流體裝置和細(xì)胞培養(yǎng)物中使用支架，并且正在努力開發(fā)用于支架的涂層以控制它們?nèi)芙獾乃俣取Ｌ砑觿┲圃煺撐氖腔贕elber論文工作的一部分，該論文詳細(xì)介紹了如何構(gòu)建打印機及其操作所需的計劃算法，因為研究人員希望其他人可以使用他們的模型構(gòu)建打印機并探索各種能夠被應(yīng)用的異麥芽糖結(jié)構(gòu)。
Bhargava說：“這臺打印機是一個對生物研究具有長期影響的工程實例。這是與材料科學(xué)、計算機科學(xué)結(jié)合在一起的基礎(chǔ)工程，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用創(chuàng)造了有用的設(shè)備。”
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860418301088
