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超级强悍的3D打印的水凝胶可以修复受损的膝盖


近日,美国德州的一个研究团队开发出一种全新的技术。该技术通过加入海藻酸盐,可以在3D打印水凝胶过程中实现前所未有的耐用性和精度控制。据悉,这种生物材料兼具弹性和强度,十分类似我们自己的自然组织,因此可用来3D打印一些需要承重的部件,比如膝盖软骨,也可以减少那些遭受运动损伤或者其它外伤的患者的关节置换需要。
 
   所谓的关节软骨,是一种白色的柔软软骨,它可以实现骨关节的平滑移动并吸收关节部位受到的冲击和力量。因此如果种种原因该关节软骨受损而不能自行愈合,甚至随着时间而持续磨损的话,就会导致关节僵硬、严重的炎症,丧失运动能力和极度的痛苦。最终,如果软骨磨损太大,导致关节两头的骨头接触,就需要进行人工关节置换手术。而由于捐助者的严重缺失和生物相容性的问题,成功的移植十分少见。
    为了克服这些障碍,来自德克萨斯理工大学(Texas Tech University)和德克萨斯A&M大学(Texas A&M University)的科学家们开始转向生物打印技术和生物相容性材料来寻找解决方案,他们希望能够3D打印出比原有组织更好的组织和细胞支架,以取代人类捐献者。
   凝胶是由一种亲水性聚合物链的组成的,可以用于制作简单的组织和细胞支架,被认为是一种优良的生物相容性材料。正是因为其高含水量使得他们能够模仿生物组织的柔性。但是遗憾的是除此之外水凝胶的强度太低、容易变形,因此无法用于像膝盖这样的承重关节。
“而且由于其低粘度和胶凝温度范围大,至今世界上仍未实现水凝胶材料的精确3D打印。”研究者在论文写道。该论文的名称为《一种超强水凝胶的3D打印(3D printing of an extremely tough hydrogel》,已经被发表在《RSC Advances》杂志中。“在这项研究中,一种高强度双网络水凝胶通过添加海藻酸盐实现了精确打印。海藻酸盐的添加不仅增加了油墨的粘度和打印时间,同时也提高了其流变特性,可以在过程中实现精准的控制。”
简单地说,这种海藻酸盐,是一种粘性胶状聚合物,可以链接松散的凝胶网络,使其更强、更耐磨,并且在3D打印时保持精确的形状。
 
    此外,科学家们还通过将该水凝胶结构浸入氯化钙溶液引入钙离子。这些离子会与海藻酸盐形成交联,使其更加强大。由此而产生的钙和海藻酸盐水凝胶的抗拉强度高于任何其他水凝胶生物材料,与人类自然的软骨不相上下。
“组织工程的一个主要挑战是制造出符合临床要求的尺寸、形状和结构完整性的对象。3D生物打印已具备达到这个目标的潜力。”Wake Fores再生医学研究所主任 Anthony Atala说。
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