新3D打印技術 讓「心臟繃帶」成為可能
【大紀元2024年08月19日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）儘管3D打印技術日新月異，但生物醫藥在打印一些材料時，容易遇到成品強度和韌性不足的問題。現在美國的兩所大學使用新的方法，不僅改善了這些問題，還增加了3D打印技術在生物醫藥的應用範圍。
3D打印機器通過沉積一層層的塑膠、金屬甚至活細胞，來創建3D維度的物體。一些科學家使用水凝膠（隱形眼鏡的材料）等特殊材料，打印出人造組織、器官和植入物，但這些材料從實驗室直接運用到醫療上卻有難度。
主要原因是傳統的數位光處理（DLP）3D打印技術，是利用光照射使液態水凝膠快速固化成型，但這種方式容易使聚合物鏈的聚合反應過快結束或反應不完全，從而影響材料整體的強度和韌性。
為了克服這種問題，美國的科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado Boulder，CU）與賓州大學（University of Pennsylvania）研究團隊開發一種名為「氧化還原引發輔助曝光後連續固化」（CLEAR）技術，讓打印的成品擁有高度韌性、可塑性和黏著性。
這項成果於8月2日發表到《科學》雜誌上，同時獲得24家新聞媒體的報導和超過5,300次的下載。
這種CLEAR技術是在3D打印的水凝膠材料（丙烯醯胺）中添加特殊的氧化還原引發劑，讓材料在光照固化後仍能持續進行聚合反應，形成更多聚丙烯酰胺聚合物鏈，這些鏈條會進一步纏繞形成高度糾纏的網絡結構。
此外，水凝膠整個固化是連續過程，可以在室溫下進行，且過程無需涉及光或熱等額外步驟。
過程中，他們使用傳統的數位光處理（DLP）方法和CLEAR方法，對聚丙烯醯胺材料進行3D打印，並對這些打印的成品進行測驗比較。
結果顯示，CLEAR方法打印的水凝膠無論是否經過傳統的光或熱固化，其韌性和抗壓力上都比DLP方法打印的水凝膠更加優秀，主要原因在於CLEAR方法打印的水凝膠內部大分子鏈糾纏程度要遠高於DLP方法打印的水凝膠。
另外，CLEAR打印的水凝膠在未固化時，遇水的溶解速度要比DLP打印的水凝膠低上許多，且更不容易變形和膨脹，原因在於大分子鏈糾纏使材料內的分子變得擁擠，這可以有效減少水分的「入侵」。
為此，實驗團隊特意用CLEAR方法打印出曲面的多孔幾何形狀的產品，讓它擁有堅硬而柔韌的特性，若打印成超材料晶格（例如八角桁架）、彈簧的模樣，其可承受較大的壓縮或拉伸力，當外力解除就會恢復成原狀。
實驗人員還可以把這種水凝膠灌入波浪狀的模具中（需進行慢慢冷卻），之後將多個波浪狀水凝膠接觸後就會形成一張聚合物網，也具有高度的韌性和機械性能。
實驗人員在獲得CLEAR版本的水凝膠基本特性後，將成品貼到豬心臟、濕潤的豬肺或胃上，這些水凝膠都牢牢地黏附在上面，且表現出高界面韌性和強度，即便經過磷酸鹽緩衝液的清洗（模擬腸胃液體）也不會脫落。
這代表CLEAR版本的水凝膠，不僅可以快速製成所需的形狀，還能夠適應彎曲的器官，同時能穩固沾黏在潮濕的器官上，即使在器官變大（心臟跳動、胃裝食物時）的情況下，也不會出現脫黏或破裂的情況。
另外，它還能承受近43kPa的擠壓負載，有利於打印成患者身上不同位置的關節零件，將有可能為新一代生物材料鋪平道路。
實驗人員提到，以上這些優點有望讓CLEAR版本的水凝膠成為患者的心臟繃帶，幫助患者修復心臟缺陷，同時幫助醫生將組織再生藥物直接輸送到患者的器官或軟骨上，減少使用軟骨補片和針縫的問題。
科羅拉多大學博爾德分校生物前沿研究所賈森·伯迪克（Jason Burdick）教授對該校的新聞室表示，「由於心臟和軟骨組織的自我修復能力非常有限，因此它們一旦受損就難以恢復到從前。現在通過我們新開發的材料，可以增強這些器官的修復過程，將會對患者產生深遠的影響。」
共同第一作者、賓州大學伯迪克實驗室（Burdick Lab）的馬特戴維森（Matt Davidson）研究員說，「現在我們用此方法打印的黏合材料，它的機械強度足以支撐組織，而這是我們以前從未能夠做到的。」
同實驗室的研究員阿布舍克·德漢德（Abhishek Dhand）則表示，「這是一種簡單的3D加工方法，可以在自己的學術實驗室以及工業中使用它來提高材料的機械性能，以適應各種應用問題。這解決了3D打印的大問題。」
團隊已經申請臨時專利，未來計劃進行更多相關研究，以更好地了解人體組織對於此類材料的反應。他們還強調，這種新方法已經涉及研究和製造領域，產生的影響可能遠遠超出醫學範圍，其原因是這種新方法無需額外的能量去固化或硬化零件。
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