DOI:10.1016/j.jmapro.2020.08.041

纤维增强水凝胶是一类软性复合材料，在组织工程、再生医学和生物印刷中的使用日益广泛。这些水凝胶的机械和生物学特性与活组织相似。尽管在纤维增强水凝胶的生物学可行性上取得了巨大进步，但是使用静电纺丝技术实现的几何形状存在局限性。为此，本文旨在开发一种自由形式的制备工艺，以解决现有纤维增强水凝胶制备工艺的两个主要局限性，即无法制备（i）数十毫米高度范围内的高层结构，（ii）具有外部悬挑的结构。自由形式的制备过程包括使用远场直写静电纺丝打印头，该打印头能够根据零件的横截面几何形状来印刷特定的电纺纤维层。然后将这些纤维层堆叠以产生三维纤维预制件。最后，将纤维预制件浸入特定的水凝胶和交联溶液中，以实现感兴趣的纤维增强水凝胶部分。为了产生外部悬挑，使用疏水性纤维预成型件结合牺牲性支撑材料以在浸没步骤中抵抗水凝胶溶液的渗透。该工艺已成功用于具有轮廓的薄型零件和模拟脉管系统的管状结构。与已发表的纯水凝胶结果相比，约1.6wt％纤维增强水凝胶的力学测试显示其拉伸性能有了一个数量级的提高。

图1.原型几何结构：（a）R-P-I轮廓，（b）环形管，和（c）带法兰的环形管。

图2.纤维增强水凝胶的自由形式制备过程。（a）三阶段的概述，（b）第一阶段的操作步骤，（c）第二阶段的操作步骤，（d）第三阶段的操作步骤。

图3.直写静电纺丝打印头设计。

图4.电场模拟显示了引导电极电压对静电纺丝针和收集基板之间电场强度分布的影响。（a）静电纺丝模拟装置示意图，（b）0kV引导电极电压，（c）4kV引导电极电压，（d）10kV引导电极电压。

图5.自由形式制备系统的系统视图，包括（a）运动台和（b）两部分收集基板。

图6.纤维沉积宽度与施加到引导电极上的电压的关系（亲水性纤维预成型件的数据）。

图7.多材料纤维预制件层的刀具路径规划步骤。

图8.R-P-I轮廓几何形状。（a）3D纤维预制件（在水凝胶溶液中浸泡之前），（b）纤维增强水凝胶的最终零件几何形状，具有所需几何形状的覆盖层（来自图1a）。

图9.环形管原型：（a）原型2，（b）原型2的俯视图，（c）原型2的侧视图，（d）原型3，（e）使用手术刀去除原型3中的牺牲性支撑材料（绿色），（f）原型3的侧视图[注：虚线表示所需的几何形状]（有关此图例中颜色参考的解释，请参考本文的网络版本。）

图10.1.6wt％纤维增强水凝胶的拉伸试验：（a）拉伸试样的尺寸，（b）干纤维预制件（黑色）和纤维增强水凝胶（红色）的特征应力-应变曲线（注：插图显示了典型的试样破坏图像）（有关此图例中颜色参考的解释，请参考本文的网络版本。）