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標題: 新3D打印技術讓「心臟繃帶」成為可能 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2024-8-23 12:26 PM 標題: 新3D打印技術讓「心臟繃帶」成為可能

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　　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研究人員表示﹐「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。」賓州大學伯迪克實驗室(Burdick Lab)的研究人員說﹐「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。」「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。」。
　　研究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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