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3D打印技術來提高PDMS的強度和細胞粘附力
閱讀：2404 發布時間：2020-2-29賓夕法尼亞州立大學的Ibrahim Tarik Ozbolat研究人員使用3D打印技術來提高PDMS的強度和細胞粘附力
（PDMS），也稱為硅橡膠，具有幾種有用的特性，近在3D打印材料中引起了很多興趣。但是，這是一個困難的過程，因為您通常需要快速加熱材料或使用特殊化學物質對其進行固化。但是，根據來自賓夕法尼亞州立大學的研究人員小組，可以使用3D打印技術來提高PDMS聚合物的強度和細胞粘附性。
雖然這種材料zui常用于容易成型的幾何簡單柔性烤盤和耐熱有機硅刮刀，但它也可以幫助制造生物機器，二維和三維細胞培養平臺，器官上-器官-芯片設備和片上實驗室設備，它們需要更小，更復雜的幾何形狀。
易卜拉欣·奧茲波拉特[圖片：賓夕法尼亞州立大學]
到目前為止，PDMS（聚二甲基硅氧烷或有機硅）在可成形性和設備制造方面存在局限性。大多數研究都是通過鑄造或微成型完成的，但是這種制造所產生的材料具有較弱的機械性能以及較弱的細胞粘附性。” 賓州州立大學工程科學與力學與生物工程學副教授 Ibrahim T. Ozbolat解釋說 。“研究人員經常使用纖連蛋白等細胞外蛋白使細胞粘附。”
用作3D打印機“墨水”的任何材料都必須能夠通過打印噴嘴，并在將其沉積到打印床上后保持其形狀–如果材料變平，滲入或散布，則設計完整性就消失了。但是研究人員發現，通過組合兩種不同的聚合物形式– PDMS彈性體Sylgard 184和SE 1700 –他們可以3D打印具有復雜幾何形狀的有機硅零件，這些零件具有改善的生物粘附性和機械特性，而無需進行模制，澆鑄和旋涂。僅制作簡單表格。
該團隊在ACS生物材料科學與工程系的一篇名為“ PDMS的3D打印改善了其機械和細胞粘附特性 ” 的論文中報告了他們的實驗結果；在土耳其科學技術研究委員會和土耳其國家教育部的支持下，該論文的合著者包括博士后研究員Veli Ozbolat，博士生Madhuri Dey和Bugra Ayan，學士/碩士生Adomas Povilianskas，工程科學和力學教授Melik C. Demirel和Ibrahim Ozbolat。
摘要寫道：“這項研究對PDMS彈性體在三種濃度下的可印刷性進行了詳細的研究，用于機械和細胞粘附研究。結果表明，PDMS的3D打印將制造的樣品的機械性能提高了3倍，而鑄造樣品的機械性能提高了3倍，這是因為氣泡截留的孔隙率降低了。重要的是，3D打印促進了乳腺癌細胞的粘附，而鑄模樣品在不使用其他涂層（例如細胞外基質蛋白）的情況下不允許細胞粘附。”
Sylgard 184不夠粘稠，無法進行3D打印，因為一旦將其從噴嘴中擠出，該材料便會滲出。但是，當以適當的比例與SE 1700混合時，它可以工作。
Ozbolat說：“我們優化了混合物的可印刷性，以控制擠出和逼真度，使其與所印刷的原始圖案相同。”
從PDMS 3D打印手。[圖片：賓夕法尼亞州立大學的易卜拉欣·塔里克·奧茲波拉特實驗室]
該團隊優化了兩種彈性體的混合物，以利用剪切稀化的特性，該特性以前已 與3D打印結合使用，其中材料在靜止時表現得像固體，而在施加力時表現得像液體。
在壓力下，大多數材料變得更粘，而其他材料則具有*相反的響應，并且變得更不粘。足夠粘稠的液體可以放在3D打印機噴嘴中，但是在被推出時會變粘，因為墨水非常適合3D打印-一旦從噴嘴中出來，它就會恢復粘度和細線放置在物體上保持其形狀。
當PDMS材料成型時，它具有光滑的表面，并且該材料也是疏水的（不像水）。當這些特性結合在一起時，材料的模制表面不會為組織細胞提供粘附的好地方。可以通過使用涂層來提高細胞粘附性，由數千條PDMS細絲束組成的3D打印表面具有許多細小的縫隙，這也是細胞粘附性的理想選擇。
該團隊與美國國立衛生研究院（NIH）3D打印交易所合作，獲取了生物特征（例如血管，耳朵，股骨頭，手和鼻子）的圖案，以測試使用PDMS進行3D打印的逼真度，并打印鼻子–人體器官之一，具有復雜的幾何形狀和空心空腔，不需要支撐材料。
通過NIH 3D Print Exchange的PDMS 3D打印創建的鼻子。[圖片：賓夕法尼亞州立大學的易卜拉欣·塔里克·奧茲波拉特實驗室]
“我們用水淋在PDMS鼻子上，并在MRI機器上成像。我們將3D重建的鼻子圖像與原始圖案進行了比較，發現我們具有相當不錯的形狀保真度，” Ozbolat說。“當我們比較成型或鑄造的PDMS與3D打印的PDMS的機械特征時，我們發現了拉伸強度印刷材料的強度要好得多。”
當材料通過微米尺寸的針頭時，該過程將去除大部分鎖定在材料中的氣泡。因此，由于PDMS被迫通過3D打印噴嘴，因此終材料中的氣泡要比鑄造或模制工藝少得多。此外，由于PDMS材料是3D打印的，因此可以將其與其他材料結合在一起以制造多材料的一件式設備。如果PDMS包含導電材料，則功能化設備也將是可能的。