近日，美國德州的一個研究團(tuán)隊開發(fā)出一種全新的技術(shù)。該技術(shù)通過加入海藻酸鹽，可以在3D打印水凝膠過程中實現(xiàn)前所未有的耐用性和精度控制。據(jù)悉，這種生物材料兼具彈性和強(qiáng)度，十分類似我們自己的自然組織，因此可用來3D打印一些需要承重的部件，比如膝蓋軟骨，也可以減少那些遭受運動損傷或者其它外傷的患者的關(guān)節(jié)置換需要。

所謂的關(guān)節(jié)軟骨，是一種白色的柔軟軟骨，它可以實現(xiàn)骨關(guān)節(jié)的平滑移動并吸收關(guān)節(jié)部位受到的沖擊和力量。因此如果種種原因該關(guān)節(jié)軟骨受損而不能自行愈合，甚至隨著時間而持續(xù)磨損的話，就會導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬、嚴(yán)重的炎癥，喪失運動能力和極度的痛苦。最終，如果軟骨磨損太大，導(dǎo)致關(guān)節(jié)兩頭的骨頭接觸，就需要進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)。而由于捐助者的嚴(yán)重缺失和生物相容性的問題，成功的移植十分少見。

為了克服這些障礙，來自德克薩斯理工大學(xué)（Texas Tech University）和德克薩斯A&M大學(xué)（Texas A&M University）的科學(xué)家們開始轉(zhuǎn)向生物打印技術(shù)和生物相容性材料來尋找解決方案，他們希望能夠3D打印出比原有組織更好的組織和細(xì)胞支架，以取代人類捐獻(xiàn)者。

凝膠是由一種親水性聚合物鏈的組成的，可以用于制作簡單的組織和細(xì)胞支架，被認(rèn)為是一種優(yōu)良的生物相容性材料。正是因為其高含水量使得他們能夠模仿生物組織的柔性。但是遺憾的是除此之外水凝膠的強(qiáng)度太低、容易變形，因此無法用于像膝蓋這樣的承重關(guān)節(jié)。

“而且由于其低粘度和膠凝溫度范圍大，至今世界上仍未實現(xiàn)水凝膠材料的精確3D打印。”研究者在論文寫道。該論文的名稱為《一種超強(qiáng)水凝膠的3D打?。?/span>3D printing of an extremely tough hydrogel）》，已經(jīng)被發(fā)表在《RSC Advances》雜志中。“在這項研究中，一種高強(qiáng)度雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過添加海藻酸鹽實現(xiàn)了精確打印。海藻酸鹽的添加不僅增加了油墨的粘度和打印時間，同時也提高了其流變特性，可以在過程中實現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。”

簡單地說，這種海藻酸鹽，是一種粘性膠狀聚合物，可以鏈接松散的凝膠網(wǎng)絡(luò)，使其更強(qiáng)、更耐磨，并且在3D打印時保持精確的形狀。

此外，科學(xué)家們還通過將該水凝膠結(jié)構(gòu)浸入氯化鈣溶液引入鈣離子。這些離子會與海藻酸鹽形成交聯(lián)，使其更加強(qiáng)大。由此而產(chǎn)生的鈣和海藻酸鹽水凝膠的抗拉強(qiáng)度高于任何其他水凝膠生物材料，與人類自然的軟骨不相上下。

“組織工程的一個主要挑戰(zhàn)是制造出符合臨床要求的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)完整性的對象。3D生物打印已具備達(dá)到這個目標(biāo)的潛力。”Wake Fores再生醫(yī)學(xué)研究所主任 Anthony Atala說。