基于擠出的生物固體3D打印或“生物打印”是一種很有前途的方法來生成患者特異性的組織工程移植物。然而，生物打印的一個主要挑戰(zhàn)是目前大多數(shù)使用的材料缺乏在廣泛應(yīng)用中使用的多功能性。

德克薩斯A&M大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了新的納米技術(shù)，利用納米粒子的膠體相互作用來打印可以模擬組織和器官結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何形狀。該團(tuán)隊由生物醫(yī)學(xué)工程系副教授兼影響研究員AkhileshGaharwar博士領(lǐng)導(dǎo)，引入了二維納米硅酸鹽的膠體溶液作為打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的平臺技術(shù)。

二維納米硅酸鹽是直徑為20至50納米、厚度為1至2納米的盤狀無機(jī)納米顆粒。這些納米硅酸鹽在水中形成一定濃度以上的“紙牌屋”結(jié)構(gòu)，稱為膠體溶液。

在研究材料的變形時，這些膠體溶液具有吸引人的特性，例如增加的粘度和屈服應(yīng)力以及剪切變稀，其中粘度在應(yīng)變下降低，以及觸變行為，其中材料響應(yīng)于施加的力而變形。Gaharwar實驗室利用這些納米硅酸鹽的流變特性進(jìn)行基于擠壓的3D打印。

該團(tuán)隊的研究結(jié)果發(fā)表在《生物打印》雜志上。

基于擠壓的3D打印的一些主要挑戰(zhàn)是無法打印高大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因為軟材料在重力作用下流動并且不能形成自支撐結(jié)構(gòu)。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員使用了膠體納米硅酸鹽，并使用三種不同的方法將它們作為生物打印的平臺技術(shù)進(jìn)行了展示。

在第一種方法中，Gaharwar實驗室的生物醫(yī)學(xué)工程研究生和該論文的主要作者SatyamRajput設(shè)計了一種由納米硅酸鹽和水溶性聚合物(如瓊脂糖、藻酸鹽、κ-卡拉膠、明膠)組成的剪切稀釋墨水、明膠甲基丙烯酰、聚乙二醇和N-異丙基丙烯酰胺。可印刷油墨配方顯示出良好的形狀保真度。

在第二種方法中，該團(tuán)隊展示了使用納米硅酸鹽作為犧牲墨水，一種設(shè)計用于失效和移除的儀器，用于設(shè)計用于體外疾病建模的微流體裝置。這些可灌注設(shè)備可用于各種應(yīng)用，以模擬和研究血管生理學(xué)和流體力學(xué)、疾病模型、組織組織和功能、治療性組織工程以及3D細(xì)胞培養(yǎng)模型和篩選藥物。

在第三種方法中，研究人員通過消除表面張力和重力，利用膠體納米硅酸鹽凝膠作為3D打印的支撐浴。一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如分叉血管、股骨、半月板、DNA雙螺旋、心臟和三葉瓣被印在支撐槽內(nèi)。

“納米硅酸鹽的多功能性可以廣泛應(yīng)用于增材制造、組織工程、藥物輸送和醫(yī)療器械領(lǐng)域，”Gaharwar說。

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