加利福尼亞大學洛杉磯分校薩穆利工程學院的研究人員開發(fā)了一種新穎的兩管齊下的方法，以增強可用于制造人造腱，韌帶和軟骨的水凝膠的強度。所構造的合成生物材料模仿天然生物組織的結構，拉伸性和耐用性，并且它們的柔韌性意味著它們可以以以前無法實現(xiàn)的配置進行3D打印。加州大學洛杉磯分校薩穆利分校工程學院材料科學與工程學助理教授何希敏說：“這項工作顯示了一種與天然生物組織相當甚至比其強大的人造生物材料的非常有前途的途徑?！?/span>

增強的顯微照片顯示了由UCLA材料科學家開發(fā)的人造肌腱材料。圖像的真實比例為1厘米寬。圖片來自UCLA。

制備更強的水凝膠

水凝膠的內部結構由縱橫交錯的聚合物或凝膠組成，它們在生物醫(yī)學應用（如替換組織）中以及在軟機器人和可穿戴電子設備中顯示出廣闊的前景。然而，當前的合成水凝膠尚不足夠堅固或耐用，以至于不能充分替代需要在承受重量的同時反復運動和彎曲的組織。

為了解決這個問題，加州大學洛杉磯分校的研究人員開發(fā)了一個兩階段的過程，將分子和結構工程相結合，以制造出水凝膠，其韌性是天然組織的十倍。他們選擇了FDA批準的聚乙烯醇材料來制作水凝膠原型。

首先，他們采用了一種稱為冷凍澆鑄的方法，該方法是一種固化過程，可以產(chǎn)生可與海綿媲美的多孔且濃縮的聚合物。然后，他們進行了鹽析處理，以使聚合物鏈結晶成堅固的原纖維。這兩個過程的結合形成了一系列連接結構，這些連接結構跨越了水凝膠中分子級至毫米級的水平，從而使其更牢固，更可拉伸。

為了測試新型水凝膠的耐用性，研究人員進行了30,000次拉伸測試循環(huán)，在整個循環(huán)過程中，材料均未出現(xiàn)劣化跡象。

該圖顯示了不同比例的人造肌腱材料與真實肌腱。圖片來自UCLA。

3D打印具有更大的靈活性

在研究過程中，UCLA團隊獲得了新的水凝膠結構，不僅增強了強度，而且還具有更大的柔韌性。他們認為，這可以實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的水凝膠3D打印。研究人員還證明，通過改變溫度，酸度或濕度等方面，可以將此類3D打印結構轉換為不同的形狀。通過這種方式，水凝膠可以潛在地充當能夠施加相當大的力并表現(xiàn)出高彈性的人造肌肉。新型水凝膠具有增強的強度，耐用性和柔韌性，適用于生物醫(yī)學應用，例如人造肌腱，韌帶和軟骨。不僅如此，它們還可以在外科手術機器和生物電子學領域顯示出希望。

羅格斯研究小組的新型水凝膠基于在幾種頭足類動物中發(fā)現(xiàn)的變色細胞。通過NOAA Okeanos Explorer程序拍攝。

3D打印水凝膠的進展

3D打印水凝膠領域內正在進行大量研究，因為科學家們正在尋求使其更強，更堅韌，更耐用，越來越靈活以擴大其應用范圍。僅在最近幾個月中，就已經(jīng)開發(fā)出了一種將水凝膠3D打印到其他聚合物中以創(chuàng)建復雜的雜化微結構的新方法，而西班牙領導的研究團隊已經(jīng)3D打印了一種能夠加速癌癥患者T細胞生成的水凝膠。在其他地方，科學家已著手開發(fā)一種新的方法，該方法使用基于纖維素的水凝膠對可調粘彈性材料進行3D打印，以提供具有多方向剛度梯度的零件。

最近，羅格斯大學（Rutgers University）的研究人員創(chuàng)建了光敏3D打印的人造“肌肉”，可以根據(jù)需要更改其形狀和外觀。 機器人設備基于一種新穎的水凝膠，該水凝膠受烏賊，章魚和烏賊細胞的啟發(fā)。

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