最近，微创诊断成像和图像引导的治疗干预技术，如计算机断层扫描、磁共振成像和超声成像，显着提高了医疗的有效性。它们支持准确的治疗程序，并帮助指导和监测干预以获得最佳结果。具体而言，超声被广泛用于对内脏器官进行成像和测量血流，因为它是实时的、低成本的，并且是一种基于使用非电离辐射的床边成像方式。
来自滑铁卢大学的学者提出了一种用于制造宏观弹性组织模拟结构的墨水材料和嵌入式 3D 打印策略。开发了由具有不同取代度 (DOS) 的 10 wt% 甲基丙烯酸缩水甘油酯聚 (乙烯醇) (PVAGMA) 和具有强剪切稀化性能的 4 wt% 纤维素纳米晶体 (CNC) (PVAGMA(DOS)/CNC) 组成的新型油墨。通过控制 PVAGMA的 DOS，可得到具有所需机械刚度的水凝胶可模拟健康和患病动脉的机械刚度，最终用于构建血管模型。对模型进行的循环拉伸测试和体外血流动力学研究证明了它们出色的机械稳定性和低滞后性。PVAGMA2/CNC 的爆破压力约为 273 mmHg，PVAGMA4/CNC 的爆破压力约为 102 mmHg，打印的血管模型能够在 10 天内承受 863千 次循环。
此外，为了证明了它们对超声成像的适用性，本文通过 B 型成像，发现 PVAGMA2/CNC 和 PVAGMA4/CNC 血管在脉动流下的血管应变分别为 11.7 ± 1.0% 和 6.5 ± 1.5%，与健康和动脉粥样硬化动脉的行为完美匹配。它说明了墨水材料和打印策略可以在生物医学研究中具有广泛的应用，特别是对于复杂弹性组织模型的制造。相关文章以“Embedded 3D Printing of Ultrasound-Compatible Arterial Phantoms with Biomimetic Elasticity”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202110153
图1. a) 可光交联 PVAGMA 的合成。b）不同取代度的PVAGMA的1H NMR光谱。
图2. 油墨和支撑材料(ALG-XG) 的流变特性。a) PVAGMA2 和PVAGMA2/CNC 的流动曲线。b) PVAGMA2 和PVAGMA2/CNC 的弹性模量 ( Gʹ ) 和粘性模量 ( Gʹʹ ) 作为振荡频率的函数图像。c-e) 支撑槽 ALG-XG 的流动曲线、屈服应力和模量。
图3. 纯 PVAGMA 和 PVAGMA/CNC 杂化水凝胶的溶胀性能。a) 模制 PVAGMA 和 b) 具有不同DOS 的印刷 PVAGMA 水凝胶的膨胀动力学。c) 模制和印刷的纯 PVAGMA 和混合 PVAGMA/CNC 水凝胶的膨胀作为 DOS 的函数图像。d) 打印的光交联PVAGMA2 水凝胶沿和垂直于打印方向的溶胀动力学。
图4. a,b) 模制和 c,d) 印刷纯 PVAGMA2 和 PVAGMA4 以及混合 PVAGMA2/CNC 和 PVAGMA4/CNC 水凝胶的机械特性。a,c) 紫外交联水凝胶的拉伸应力-应变曲线和 b,d) 拉伸模量。
图5. 油墨的可印刷性和支撑材料的多功能性。a) ALG-XG 中嵌入打印的字母“UW”图像。b) 颈动脉分叉结构的前视图和 c) 侧视图，d) 交联和提取后的图片，以及 e) 在通过结构注入红色染料以检测互连性之后的图片。f) 两段、g) 三段和 h) 四段空心管在 ALG-XG 内部使用定制的双注射器打印设置进行打印的结果。
图6. i) PVAGMA2/CNC 和 ii) PVAGMA4/CNC 材料的细胞相容性通过 a) 活/死荧光（绿色：活细胞；红色：死细胞）和 b) MTT 测定进行评估。
图7. 双交联 a)PVAGMA2/CNC 和 b) PVAGMA4/CNC 水凝胶在连续 5 次循环拉伸试验下的代表性循环拉伸应力-应变曲线。c) 灌注期间血管壁经受的圆周张力和剪切应力的示意图。d) 两种不同的 3D 打印血管腔的爆裂压力和 e) 壁张应力。
图8. 当血管腔处于脉搏 a) 舒张期和 b) 收缩期时，PVAGMA2/CNC、PVAGMA4/CNC 和三段血管（边界：橙色虚线）的彩色流动图像。
图9. 在颈动脉搏动流（15 mL s –1峰值流速，60 次每分钟）下从三个不同血管模型获得的多普勒频谱图。a) 多普勒测距门（蓝色方块）放置在单段 PVAGMA2/CNC 血管的中间，c) 记录的中心线流速分布。b) 多普勒测距门（蓝色方块）放置在单段 PVAGMA4/CNC 血管的中间，d) 记录的中心线流速分布。e）多普勒距离门被放置在三段血管的左端（白色方块）、中间（蓝色方块）和右端（绿色），以及 f-h）相应记录的中心线流速剖面。
本文报告了一种由 PVAGMA 和 CNC 组成的新型墨水，用于直接 ME 打印与超声成像兼容的真实动脉模型。利用 PVAGMA/CNC 墨水优异的化学和机械性能、支撑液的 Bingham 特性、双交联策略和定制的双注射器系统，而且具有高空间分辨率（≈100 μm）的分层结构，结构通过嵌入式 ME 3D 打印证明了完整性和图案保真度。通过控制 PVAGMA 的取代度、油墨配方和油墨的交联方法，本文制备了拉伸模量从 21.80 ± 6.59 到 146.52 ± 22.61 kPa 的宽范围拉伸模量的无细胞毒性的水凝胶。本文的 PVA 材料的声学兼容性使我们能够通过超声成像可视化脉动流下的血管动力学。较软的PVAGMA2/CNC 和较硬的 PVAGMA4/CNC 的血管应变表明，两种墨水材料可以很好地用于生产具有疾病状况（例如局灶性病变）的动脉模拟物。总体而言，本文的研究结果阐明了 PVAGMA-CNC 墨水和 3D 打印策略在创建可在生物医学研究中找到重要应用的功能性异质组织模型方面的巨大潜力。（文：SSC）
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