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3D打印水凝胶在医疗行业的应用

更新时间: 2019-09-18 10:10:28  查看次数: 81    
3D打印在医疗方面的应用越来越广泛,常见的像植入物、手术导板或假肢。通常涉及到一些治疗难度较高的疾病,3D打印往往能够提供有效的解决方案。像3D打印头盖骨之类的。

而如今澳大利亚科学家正在Marc in het Panhuis的带领下,正在研究一种3D打印医疗创新技术,可以用来帮助每个人。In het Panhuis是卧龙岗(Wollongong)大学化学副教授和软性材料组组长。他正在和团队一起开发一种充满了传感器的3D打印水凝胶,这种水凝胶可以进入我们身体的任何部位。

In het Panhuis教授解释说,他们的产品主要由在3D打印基质中的可食用电子器件组成,据了解,这些产品“可以执行某种功能,然后消失。”这种“软机器人”通常需要用水凝胶(具备一定的机械性能)运送传感器。不幸的是,用水凝胶进行3D打印相当复杂,因为它们太软了。

因此,In het Panhuis教授研究的部分内容就是寻找一种方法使水凝胶效率更高、导电、更硬、更持久。这对于当前正在进行的多种前沿研究领域都有帮助,包括仿生植入物、传感器、控释系统和软机器人等。

幸运的是,In het Panhuis的研究小组发现,这些凝胶可通过混合两种不同的聚合物变得强度更高。 他们碰到了各种各样的的组合可以创造出这些必要的分子链接,比如明胶与京尼平(genipin)、结冷胶(gellan gum,通常在厨房使用)与氯化钠。这样的组合可生成更强、更坚实的凝胶,这种凝胶可用于大量应用。虽然3D打印的水凝胶已经非常导电(其主要成份是水),但在加入钠离子后,它们的导电性更佳。“氯化铯的导电性比氯化钠更好,但它是不可使用的材料。”

这些可用的材料能够出色地承载3D打印的传感器。虽然In het Panhuis和他的团队还没有真正接近实现一个可打印和有效的传感器,而且这些传感器能够胜任什么任务还不清楚,但研究团队已经将其作为未来七年的研究目标之一。

不过,本周在波士顿举行的材料研究学会秋季会议上,In het Panhuis描绘了他们试图达到的愿景。在演讲过程中,In het Panhuis描述了这些传感器如操作和摄入。依托其第四代3D生物打印机,这些水凝胶可以3D打印并包含各种可调的电子元件和传感器。这种水凝胶混合物,在冷却后,可以作为一种果冻被简单地吞下。然后,传感器就开始干活了,比如根据预先设定的程序,他们可以检查您的肠子的状况,然后通过一种尚未明确的技术将数据传递到外部设备。一旦任务完成,无害的传感器就此消失。


水凝胶的应用:

      伤口是由于外界影响而导致皮肤的缺陷或破坏,伤口不及时得到有效的处理则会导致可能导致感染、发炎以及水肿等后果。使用伤口敷料则是用于伤口愈合的一个有效办法。理想的伤口敷料能够吸收伤口的渗出物和毒素,并能保持良好的防潮性能,此外还应具有保护伤口免于外部感染,防止伤口处累计过多的热量,具有良好的透气性。伤口的愈合还经常由于脱水、感染、坏死、水肿等因素阻碍伤口的愈合。
      目前伤口敷料主要使用的材料是水凝胶。水凝胶内部含有大量的水分,能够为伤口提供水份有助于伤口处的清理,增加胶原酶的数量和水分的含量。同时,水凝胶可以通过内部交联的聚合物链的扩张来吸收渗出物中的细菌、碎屑以及臭味分子。水份和氧气可以通过水凝胶传送到伤口处,对于治疗褥疮、下肢溃疡、创伤坏死、以及割伤具有显著疗效。由于水凝胶的冷却和保湿效果,其在治疗烧伤方面发挥了很大的作用。
       Shah 等将棉材料的纱布或其他纤维质的基材浸入热塑性树脂中制备了水凝胶。树脂包括 A-B-A 嵌段共聚物,多嵌段共聚物,接枝共聚物以及共混聚合物,每种树脂都有亲水性组分(例如聚环氧乙烷或聚羟甲基丙烯酸酯)和疏水性组分(如聚苯乙烯,聚甲基丙烯酸甲酯)。水凝胶表现出微相分离,疏水性部分不溶于水,其余部分则可以溶胀。这种敷料既可以吸收伤口处的渗出物,同时又避免了与伤口表面的粘附。


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