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）與賓夕凡尼亞大學（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。

這項成果於8月2日發表到《科學》雜誌上，同時獲得24家新聞媒體的報導和5,300多次的下載。

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的擁擠，這可以有效減少水份的「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，這些水凝膠都牢牢的黏附在上面，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43 kPa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賈森·伯迪克（Jason Burdick）教授對該校的新聞室表示，「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回復到從前。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。」

共同第一作者、賓夕凡尼亞大學伯迪克實驗室（Burdick Lab）的馬特戴維森（Matt Davidson）研究員說，「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。」

同實驗室的研究員阿布捨克·德漢德（Abhishek Dhand）則表示，「這是一種簡單的3D 加工方法，人們最終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。」

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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