2023年4月17日，维多利亚州材料科学与工程系的研究人员在《Advanced Functional Materials》上发表题为Fabrication of Architectured Biomaterials by Multilayer Co-Extrusion and Additive Manufacturing 的研究论文，报道了使用多层共挤出工艺生产层状聚合物复合长丝，并利用所得材料使用FDM 3D打印方法制造具有良好性能的组织工程支架。
//doi.org/10.1002/adfm.202301547
研究简介
受益于3D打印和多材料组装的进步，组织工程获得了比现有人造材料更大的功能优势。多层组织工程结构有望解锁独特的特性组合，但它们的制造仍然具有挑战性。本文报告了一种通过共挤压和3D打印的相结合的简单工艺，制造具有工程多层结构的生物材料，生产了含有5,17或129交替层聚乳酸/热塑性聚氨酯(PLA/TPU)的聚合物长丝，并探索了它们在熔融沉积建模(FDM)中用于制造心肌细胞培养支架的用途。共挤长丝在其横截面上呈现分层结构，具有连续的界面，并且在3D打印后保持了层的完整性和对齐，17层PLA/TPU交变复合材料具有优异的力学性能。
团队猜测，制备支架的多层结构可以有利于在培养中对齐心肌细胞。研究发现，与单相材料相比，17层PLA/ TPU交替层显著改善了心肌细胞形态和功能。本文所提出的生物材料制造方案结合了自上而下和自下而上的方法，为生产广泛的新型建筑材料提供了巨大的灵活性，这些材料具有可调的结构设计，可用于组织工程等领域。
研究内容解读
团队探索了两种常用的聚合物生物材料：聚乳酸(PLA)和热塑性聚氨酯(TPU)，使用多层共挤出工艺生产层状聚合物复合长丝，并利用所得材料使用FDM 3D打印方法制造组织工程支架。多层共挤压的自上向下方法和增材制造的自下向上方法相结合，可以更好地控制从毫米到纳米尺度的形态、结构和结构。研究证明，在所获得的结构中，多层复合材料具有更加有益的和可调的机械性能，并且与单组分相比，可以增强心肌细胞的形态和功能。可以设想，使用这种简便的制造方案可以生产出具有增强性能的分层结构的新型复合材料。
图1 用共挤法和线性倍增法制备多层长。
图2 PLA/TPU多层长丝的物理化学特性。
图3 多层6 × PLA/TPU长丝3D打印物品的形态、结构和化学性质。
图4 3D打印样品的拉伸性能研究。
图5 播种3天后NRCM暴露于多层材料后形态学动态适应的定性和定量分析。
图6 NRCM连接与钙瞬态。
研究结论
团队提出了一种通过多层共挤出和增材制造的简单而有效的方法，制备由两种不混相聚合物PLA和TPU组成的多层结构生物材料。将具有韧性的TPU材料与具有特定层厚的脆性PLA结合在一起，产生了具有改进机械性能的结构化PLA/TPU生物材料，与原始单相材料相比，具有优越的心肌细胞功能。对PLA/TPU长丝的广泛表征表明，在3D打印过程中，多层共挤长丝的横截面表面具有连续的界面。同时在3D打印后，从PLA/TPU长丝到3D打印结构，每个聚合物层的厚度逐渐减少，并且持续交替排列。在PLA/TPU多层材料上培养的NRCM表达了NRCM功能和细胞-细胞连通性的标志物。这些培养物的功能分析显示，在3倍多层材料中实现了同步和自发的收缩。多层材料是相对罕见的，但他们有多方面的应用价值。近期报道指出，地球的岩石圈由许多层状结构组成，包括层状结构，而复制这些结构的合成材料被称为“拟石”。这种模式有望指导材料界获得具有改进的机械和功能特性的材料。这种制备方案为制备结构层状多相生物材料提供了一种新的方法。虽然实现了不同的层厚度，但可以进一步研究共挤技术的通用性，以创建PLA和TPU之间的比例变化和聚合物的翻转位置，以控制复合材料的力学性能。使用相同的方法，也可以制造具有三种聚合物的长丝，并用于FDM 3D打印，具有进一步增强的机械和光学性能。此外，还有各种类型的建筑材料，可以使用梯度多层薄膜加工、多层泡沫加工和多层纳米纤维加工来生产。这些方法可以被测试来生产独特的FDM长丝，由各种结构组成，如纳米纤维、泡沫和梯度聚合物层厚度，用于广泛的应用。对样品进行x射线CT分析也可以研究多层3D打印生物材料断裂伸长率提高的机制。此外，对于不同的材料组合，微观力学性能与层厚之间存在相关性。最后，细丝可以以“非平面”或“非平面”的方式打印，以成功创建更多的建筑结构。本文提出的制造方案也可以用于各种热塑性原料3D打印长丝，从而开辟从生物材料到传感器或电子产品的新应用。 
