宾夕法尼亚州立大学的Ibrahim Tarik Ozbolat研究人员使用3D打印技术来提高PDMS的强度和细胞粘附力

（PDMS），也称为硅橡胶，具有几种有用的特性，近在3D打印材料中引起了很多兴趣。但是，这是一个困难的过程，因为您通常需要快速加热材料或使用特殊化学物质对其进行固化。但是，根据来自宾夕法尼亚州立大学的研究人员小组，可以使用3D打印技术来提高PDMS聚合物的强度和细胞粘附性。

虽然这种材料zui常用于容易成型的几何简单柔性烤盘和耐热有机硅刮刀，但它也可以帮助制造生物机器，二维和三维细胞培养平台，器官上-器官-芯片设备和片上实验室设备，它们需要更小，更复杂的几何形状。

易卜拉欣·奥兹波拉特[图片：宾夕法尼亚州立大学]

到目前为止，PDMS（聚二甲基硅氧烷或有机硅）在可成形性和设备制造方面存在局限性。大多数研究都是通过铸造或微成型完成的，但是这种制造所产生的材料具有较弱的机械性能以及较弱的细胞粘附性。”  宾州州立大学工程科学与力学与生物工程学副教授  Ibrahim T. Ozbolat解释说   。“研究人员经常使用纤连蛋白等细胞外蛋白使细胞粘附。”

用作3D打印机“墨水”的任何材料都必须能够通过打印喷嘴，并在将其沉积到打印床上后保持其形状–如果材料变平，渗入或散布，则设计完整性就消失了。但是研究人员发现，通过组合两种不同的聚合物形式– PDMS弹性体Sylgard 184和SE 1700 –他们可以3D打印具有复杂几何形状的有机硅零件，这些零件具有改善的生物粘附性和机械特性，而无需进行模制，浇铸和旋涂。仅制作简单表格。

该团队在ACS生物材料科学与工程系的一篇名为“ PDMS的3D打印改善了其机械和细胞粘附特性 ” 的论文中报告了他们的实验结果；在土耳其科学技术研究委员会和土耳其国家教育部的支持下，该论文的合著者包括博士后研究员Veli Ozbolat，博士生Madhuri Dey和Bugra Ayan，学士/硕士生Adomas Povilianskas，工程科学和力学教授Melik C. Demirel和Ibrahim Ozbolat。

摘要写道：“这项研究对PDMS弹性体在三种浓度下的可印刷性进行了详细的研究，用于机械和细胞粘附研究。结果表明，PDMS的3D打印将制造的样品的机械性能提高了3倍，而铸造样品的机械性能提高了3倍，这是因为气泡截留的孔隙率降低了。重要的是，3D打印促进了乳腺癌细胞的粘附，而铸模样品在不使用其他涂层（例如细胞外基质蛋白）的情况下不允许细胞粘附。”

Sylgard 184不够粘稠，无法进行3D打印，因为一旦将其从喷嘴中挤出，该材料便会渗出。但是，当以适当的比例与SE 1700混合时，它可以工作。

Ozbolat说：“我们优化了混合物的可印刷性，以控制挤出和逼真度，使其与所印刷的原始图案相同。”

从PDMS 3D打印手。[图片：宾夕法尼亚州立大学的易卜拉欣·塔里克·奥兹波拉特实验室]

该团队优化了两种弹性体的混合物，以利用剪切稀化的特性，该特性以前已  与3D打印结合使用，其中材料在静止时表现得像固体，而在施加力时表现得像液体。

在压力下，大多数材料变得更粘，而其他材料则具有*相反的响应，并且变得更不粘。足够粘稠的液体可以放在3D打印机喷嘴中，但是在被推出时会变粘，因为墨水非常适合3D打印-一旦从喷嘴中出来，它就会恢复粘度和细线放置在物体上保持其形状。

当PDMS材料成型时，它具有光滑的表面，并且该材料也是疏水的（不像水）。当这些特性结合在一起时，材料的模制表面不会为组织细胞提供粘附的好地方。可以通过使用涂层来提高细胞粘附性，由数千条PDMS细丝束组成的3D打印表面具有许多细小的缝隙，这也是细胞粘附性的理想选择。

该团队与美国国立卫生研究院（NIH）3D打印交易所合作，获取了生物特征（例如血管，耳朵，股骨头，手和鼻子）的图案，以测试使用PDMS进行3D打印的逼真度，并打印鼻子–人体器官之一，具有复杂的几何形状和空心空腔，不需要支撑材料。

通过NIH 3D Print Exchange的PDMS 3D打印创建的鼻子。[图片：宾夕法尼亚州立大学的易卜拉欣·塔里克·奥兹波拉特实验室]

“我们用水淋在PDMS鼻子上，并在MRI机器上成像。我们将3D重建的鼻子图像与原始图案进行了比较，发现我们具有相当不错的形状保真度，” Ozbolat说。“当我们比较成型或铸造的PDMS与3D打印的PDMS的机械特征时，我们发现了拉伸强度印刷材料的强度要好得多。”

当材料通过微米尺寸的针头时，该过程将去除大部分锁定在材料中的气泡。因此，由于PDMS被迫通过3D打印喷嘴，因此终材料中的气泡要比铸造或模制工艺少得多。此外，由于PDMS材料是3D打印的，因此可以将其与其他材料结合在一起以制造多材料的一件式设备。如果PDMS包含导电材料，则功能化设备也将是可能的。