华南理工大学/南方医科大学团队开发浸没式相分离3D打印技术，实现应变硬化水凝胶支架精准制备

研究背景

生物组织如皮肤、动脉和软骨等具有独特的应变硬化力学行为，即在拉伸时刚度随形变增加而增强，从而实现动态负载下的稳定性和抗损伤能力。然而，传统水凝胶制造技术（如相分离诱导、光交联）在结构复杂性、力学性能及可扩展性之间面临显著权衡：现有方法难以在一步工艺中同时实现仿生力学特性（如J型应力-应变曲线）与多尺度复杂结构（如分级孔隙、各向异性微通道）。这限制了其在个性化医疗植入物、生物混合器件等领域的应用。

针对这一难题，华南理工大学施雪涛教授团队联合南方医科大学杨志禄教授团队提出了一种创新的浸没相分离3D打印（IPS 3DP）技术，通过调控溶剂-非溶剂交换动力学，在聚乙烯醇基水凝胶中构建具有应变硬化特性的分级多孔结构。该技术突破了传统方法的局限，为仿生动态组织的精确制造提供了全新范式。

研究进展

浸没式相分离3D打印技术的核心原理与创新突破

浸没式相分离3D打印（IPS 3DP）技术以接枝戊基侧链的聚乙烯醇（PVA-C5-30）为基础材料，通过二甲基亚砜（DMSO）与水的溶剂交换动力学调控，实现了应变硬化水凝胶支架的一步制备。其关键创新在于通过优化凝固浴中DMSO与水的比例，精准控制相分离速率：纯水溶液会引发过快的溶剂交换，导致相分离不均和结构缺陷；而含40%DMSO的凝固浴能平衡凝胶化速度与打印保真度，使支架与数字模型的尺寸吻合度达92.3%±2.1%。该技术构建的水凝胶支架具有5至200 μm的层级孔隙结构和各向异性微通道，同时保留生物组织特有的J形应力-应变曲线，断裂应力约0.7 MPa，伸长率超过1000%，能够良好兼顾力学韧性与结构复杂性。

材料性能与传统方法的对比优势

与传统的缓慢溶剂交换成型法（如模板铸造）相比，IPS 3DP在效率与结构调控上展现显著优势。传统方法需1-3天完成相分离，仅能制备薄膜状水凝胶，孔隙尺寸均匀（10-60 μm）；而IPS 3DP通过分步相分离，在5-30秒内即可完成凝胶化，形成“致密外层-大孔中间层-微孔核心”的三层结构，且支持复杂3D结构的直接打印。在力学性能上，两种方法制备的材料均保持应变硬化特性，IPS 3DP支架的断裂强度（0.65-0.71 MPa）与传统水凝胶相当，证明其在实现结构突破的同时未牺牲核心力学性能。

功能化拓展与可回收特性

IPS 3DP系统可通过引入无机填充剂实现功能定制：添加碳纳米管（CNT）后，支架导电性提升2个数量级，能实时响应手腕与手指运动，适用于动态传感场景。值得注意的是，基于动态疏水相互作用的物理交联网络使材料具有闭环可回收性：经冷冻干燥、DMSO溶解再生后，支架可重复打印，5次打印-回收循环中材料回收率均超过95%，且力学性能与导电特性无明显衰减。

生物相容性与降解稳定性

体外实验表明，IPS、CNT-IPS和HA-IPS 3D打印支架对骨髓间充质干细胞（BMSCs）和L-929成纤维细胞具有良好相容性，支持细胞黏附和增殖；而铜粉填充的Cu-IPS因铜离子溶出表现出细胞毒性，提示需根据应用场景筛选功能填充剂。在降解稳定性方面，支架在模拟生理环境（37℃、含胶原酶和透明质酸酶）中浸泡90天后，宏观形态与微观结构基本不变，质量损失可忽略，显示出长期力学稳定性，可能适用于角膜、血管等需长期支撑的组织修复场景。

未来展望

该研究报道的IPS 3D打印技术为动态生物组织的仿生制造提供了革命性平台，不仅为再生医学提供了兼具力学适配性与结构定制化的材料解决方案，更在软体机器人、生物电子器件等领域开辟了新方向。未来，研究团队将探索IPS 3DP与多材料打印、原位生物制造等先进技术手段的结合，推动个性化医疗与智能生物系统的临床转化。

原文链接：https://doi.org/10.34133/research.0742