《先進材料》3D打印新速度！22秒打印出含活細胞的耳朵支架

來源：高分子科學前沿

自從生物材料界泰斗美國三院院士Robert Langer提出組織工程的概念后，現(xiàn)代醫(yī)學一直致力于尋找合適的支架材料，干細胞以及生長因子去實現(xiàn)組織再生用于替代已經壞死或者缺損的部分。試想有一天人類不在需要器官移植去治療臟器衰竭，盡盡需要利用自己身上的干細胞就能復刻出完全沒有排異的器官。盡管設想非常美好，組織再生的研究也僅僅處于起步階段，而這在很大程度上是由于材料方面的問題。人體的組織和器官有著非常復雜和精巧的空間結構，譬如NBA球員最脆弱的零件半月板就有著特殊的外表拓撲結構并且內部是多孔疏松的陣列在力學上能夠有效地分散受力。在組織再生的過程中，應用的材料要盡可能地還原組織原有的構型才能最大程度上發(fā)揮作用。由于大部分的組織和器官都是不規(guī)則，去制備對這些支架對材料科學家來說是一個很大的挑戰(zhàn)。近年來由于生物3D打印的興起，生物相容的樹脂可以有效準備特殊形狀的支架同時包埋細胞，但是最常見的方法，如立體光刻(stereolithography)和擠出打�。╡xtrusion-based printing）在生物3D 打印中都有或多或少的問題，例如打印時間過長會導致細胞沉積和死亡。

原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.20190420

研究介紹
立體打印（Volumetric Printing）是加州伯克利大學Hayden K. Taylor教授今年提出的新穎的打印方法：各個方向的二維投影到一個圓柱體的光敏樹脂中，圓柱體在不停旋轉中在很短時間內（小于1分鐘）特定形貌的結構就會形成。相關論文以“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”為題目，發(fā)表在《Science》上（《Science》3D打印革命性升級！只要光照幾十秒，完美雕像浮出水面）

以光為刀，簡單照射。

需要打印的物體就在水中出現(xiàn)。

近日，荷蘭烏得勒支大Riccardo研究小組首次使用“立體打印”技術實現(xiàn)生物3D打印。只要短短22秒的時間，對，你沒有看錯只要22秒，包含有細胞的耳朵支架就能成型（圖1）。相關論文以“Volumetric Bioprinting of Complex Living‐Tissue Constructs within Seconds”為題目，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1. A) 和B)是volumetric printing的示意圖，一個旋轉的圓柱形容器中裝有光敏樹脂和細胞，各個角度的投影到圓柱體中制備得到載有細胞的耳朵（C）。

構建這樣一個3D打印體系非常容易，只需要常見的光敏生物相容樹脂（甲基丙烯酰氯）和合適的光敏劑。光敏劑的濃度和吸光系數很重要，因為整個過程是在空間上選擇性的交聯(lián)，容器背部的透光率要維持在37%及以上。和傳統(tǒng)的生物3D打印方法 （extrusion-basedprinting 和Digital light processing）相比這個方法大大縮短了時間（從幾個小時縮短到幾十秒鐘）。不僅如此，如果把模型放大兩倍到三倍，打印時間還是維持一樣！更逆天的是，如此迅捷的打印不僅沒有損失打印的精度，表面的平滑還原度甚至遠遠超過了其他兩種方法！

圖2. A) 在光引發(fā)劑存在的情況下光透過的示意圖 B) 用三種打印方法打印一個人耳模型所用時間的對比以及模型表面形貌的對比（C）
除了耳朵，研究團隊還挑戰(zhàn)了松質骨模型，成功包埋造骨細胞（O-MSCs紅色）在支架內并且保持了85%的活性展現(xiàn)了極強的代謝能力。之后繼續(xù)加入內皮克隆形成細胞（ECFCs綠色）和間充質基質細胞(P-MSCs黃色)，協(xié)同促進血管形成。這種方法在組織再生領域展示了無限的潛力。綜上這種新的生物3D打印方法真正意義上做到了“更快，更逼真，更安全”。

圖3. i) 松質骨模型打印并且包埋細胞長達7日 ii)模型的CT

加入內皮克隆形成細胞（ECFCs綠色）和間充質基質細胞(P-MSCs黃色)，協(xié)同促進血管形成