全方位印刷技术制备三维微型血管状网络

科学家们提出利用全方位印刷技术来制备三维的微型血管状网络。

微型血管状网络(Microvascular Networks)广泛地存在于自然界中,它们在生物体的自主修复(Self-healing)、冷却体温(Cooling)、能量获取(Energy Harvesting)等过程中都起到了重要的作用。一个典型的例子就是广泛分布在人体中的毛细血管系统。因此,如何利用功能材料人工地构建此类微型管状网络吸引了来自很多科学领域的研究兴趣。尽管到目前为止,已经有很多方法,例如软刻蚀(Soft Lithography)、立体平版印刷(Stereolithography)、激光直烧蚀(Direct Laser Ablation)、生物打印(Biopriting)、静电放电(Electrostatic Discharge)等,被用来制作带微型血管状网络的产品结构。然而,他们中没有一个可以同时满足制作过程中对量产能力、分辨率和重复性等方面的要求。

近日,根据 Advanced Materials 的报道,来自美国伊利诺伊大学( University of Illinois at Urbana-Champaign)的科学家们提出用全方位印刷(Omnidirectional Printing)技术来制备微型血管状网络。简单的说,他们首先在可光聚的凝胶(Photocurable Gel Support)中,将褪性有机墨水(Fugitive Organic Ink )按照所需的微管道形径打印成相应的形貌——其中凝胶起到衬体的作用,帮助封存刚刚打印出来的图样形貌。同时,凝胶上面还浮有一层低粘度的覆盖液体(Fluid Capping Layer),这样喷嘴在打印过程中划出的空隙会立马被覆盖液体所填充。其中凝胶衬体和覆盖液体都可以被进一步紫外固化;而褪性墨水则不会固化,因此可以通过变温使其变成液体而除去。打印结束后,利用光交联将整个结构进一步固化;然后再将褪性墨水线条液化、并消褪除去,最终得到稳定的微管网络。网络中的微管道相互连接,尺寸均匀,按照设定的打印行径分布在三维的空间中。

整个课题中最为关键的在于相应的褪性墨水、凝胶衬体、以及覆盖液体层的材料选择上面:它们需要具有理想的流动性能、交联性能、相容性,以及相应的功能性质,以满足制备过程和后续应用等方面的要求。该研究组从三嵌段聚合物家族Pluronic F127(PEO-PPO-PEO, 聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯)出发,通过调节相应的嵌段长度、溶液浓度、流体粘度、临界胶束浓度等参数,以及通过对嵌段端基的反应基团改性,得到了可以分别作为褪性墨水、衬体凝胶,以及表面覆盖层液体的材料。值得指出的是,三者都是由Pluronic F127为基物改造得到的,它们具有良好的相容性而避免了最终结构产物中由于性质不均匀而引起的种种问题。

总结来说,这项技术利用了全方位印刷的灵活方便等特点构造了理想的3维立体微型管道。实验方面,研究人员们表征了墨水、凝胶及覆盖液体的流变特性和力学性能,用荧光显微镜和电子显微镜观察了3维微型网络的结构和分布。报道的微管尺寸可以被控制在18微米至600微米之间。另外,他们还研究了最终产品的扩散性能(Diffusivity),以证明所得到的结构具有良好的通透性,可以通过微管道实现相应的物质和能量的运输和传递,从而拥有广泛的应用前景。

W.  Wu et al., Adv. Mater. DOI:  10.1002/adma.201004625.