Science：根据需要定制心脏的绷带？3D打印技术使之成为可能

科罗拉多大学博尔德分校领导的一个团队开发了一种新的3D打印材料方法，这种材料既具有足够的弹性，可以承受心脏的持续跳动，又具有足够的韧性，可以承受施加在关节上的沉重负荷，而且很容易变形，以适应患者的独特缺陷。

　　

在开发类似生命的材料来替代和修复人体部位的过程中，科学家们面临着一个艰巨的挑战：真正的组织通常既坚固又可拉伸，而且形状和大小各不相同。

科罗拉多大学博尔德分校领导的研究小组与宾夕法尼亚大学的研究人员合作，朝着破解密码迈出了关键的一步。他们已经开发出一种3D打印材料的新方法，这种材料既具有足够的弹性，可以承受心脏的持续跳动，又具有足够的韧性，可以承受施加在关节上的沉重负荷，而且很容易变形，以适应患者的独特缺陷。更好的是，它很容易粘在湿纸巾上。

8月2日出版的《科学》杂志描述了他们的突破，为新一代生物材料铺平了道路，从将药物直接输送到心脏的内部绷带到软骨贴片和无针缝合。

“心脏和软骨组织的相似之处在于，它们的自我修复能力非常有限。当它们被破坏时，就没有回头路了，”资深作者Jason Burdick说，他是科罗拉多大学博尔德分校生物前沿研究所的化学和生物工程教授。“通过开发新的、更有弹性的材料来增强修复过程，我们可以对患者产生重大影响。”

将“斑点”作为灵感

从历史上看，生物医学设备是通过模塑或铸造制造的，这种技术在大规模生产相同的植入物时效果很好，但在针对特定患者个性化植入物时并不实用。近年来，3D打印通过允许研究人员制造多种形状和结构的材料，为医疗应用开辟了新的可能性世界。

与简单地将墨水放在纸上的传统打印机不同，3D打印机将一层又一层的塑料、金属甚至活细胞沉积在一起，以创建多维物体。

一种特殊的材料，被称为水凝胶(制作隐形眼镜的材料)，一直是制造人造组织、器官和植入物的热门材料。

但是，将这些材料从实验室应用到临床是很困难的，因为传统的3d打印水凝胶在拉伸时往往会破裂，在压力下破裂，或者太硬而无法在组织周围成型。

“想象一下，如果你的心脏上粘着一块坚硬的塑料。它不会随着你的心跳而变形，它只会断裂。”

为了在3D打印的水凝胶中实现强度和弹性，Burdick和他的同事们从线虫身上得到了启发，线虫在三维的“线虫团”中反复缠绕和解开自己，这些“线虫团”具有固体和液体的性质。先前的研究表明，将类似缠绕在一起的分子链(称为“缠结”)结合在一起，可以使它们更坚固。

他们的新打印方法，被称为CLEAR(在氧化还原引发的辅助下，光暴露后的连续固化)，遵循一系列步骤，在3d打印材料中缠绕长分子，就像那些缠绕在一起的蠕虫一样。

当团队在实验室中拉伸和称重这些材料时(一位研究人员甚至用她的自行车碾过一个样品)，他们发现它们比用标准的3D打印方法(称为数字光处理(DLP))打印的材料要坚韧得多。更棒的是:它们还能粘附在动物的组织和器官上。

“我们现在可以3D打印粘合剂材料，其强度足以机械支撑组织，我们以前从来没有做到过。”

革新护理

Burdick设想有一天，这种3d打印材料可以用来修复心脏缺陷，直接向器官或软骨输送组织再生药物，抑制椎间盘突出，甚至在手术室里缝合人，而不会像针和缝线那样造成组织损伤。

他的实验室已经申请了一项临时专利，并计划很快开展更多的研究，以更好地了解组织对这些材料的反应。

但该团队强调，他们的新方法可能会产生远远超出医学的影响——在研究和制造方面也是如此。例如，他们的方法不需要额外的能量来固化或硬化零件，使3D打印过程更加环保。

“这是一种简单的3D加工方法，人们最终可以在自己的学术实验室和工业中使用，以改善各种应用的材料的机械性能，”第一作者Abhishek Dhand说。

“它解决了3D打印的一个大问题。”