基于微流控的多材料立體光固化生物打印技術(shù)

供稿人:李芝、賀健康
在人體組織中，肝臟、視網(wǎng)膜、靜脈、動(dòng)脈等器官都存在具有分層特征的多尺度結(jié)構(gòu)，為了更好的模擬這種仿生結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了冷凍干燥、鹽浸等不同的制造方法，但是這些方法不能實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的可控制造。因此，光刻和激光燒結(jié)被進(jìn)一步提出用來(lái)可控制造高精度幾何形狀，但是激光燒結(jié)技術(shù)在制造速度和材料組成方面在制造中受到限制。

近日，來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校、布萊根婦女醫(yī)院、哈佛醫(yī)學(xué)院、圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)等多所研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者共同提出了一種新的可用于制造復(fù)雜人體組織的生物3D打印技術(shù)——基于微流控的多材料立體光固化生物打印技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)數(shù)字微鏡設(shè)備的動(dòng)態(tài)圖案、移動(dòng)平臺(tái)和包含四個(gè)開(kāi)/關(guān)氣動(dòng)閥的微流體設(shè)備來(lái)同步創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)（圖1）。該新型微流控設(shè)備能夠在不同含有細(xì)胞的水凝膠生物墨水之間快速切換，從而實(shí)現(xiàn)逐層多材料生物打印。并且與傳統(tǒng)的基于立體光刻的生物打印機(jī)相比，該系統(tǒng)在高空間分辨率下具有多材料制造能力的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖1（a）基于微流控的多材料生物3D設(shè)備的平面示意圖，包括紫外線燈、光學(xué)透鏡和物鏡、DMD芯片和微流體設(shè)備 （b）整個(gè)光學(xué)平臺(tái)的示意圖 （c）用于創(chuàng)建單材料打印輸出的開(kāi)放腔室微流控設(shè)備的示意圖

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在證明了該生物3D打印設(shè)備具有二維和三維結(jié)構(gòu)方面的制造能力后，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)和生物打印了一組復(fù)雜的生物組織的結(jié)構(gòu)，如腫瘤血管生成、肌肉條和肌肉-骨骼連接（圖2）來(lái)驗(yàn)證該系統(tǒng)制造人體組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力及其生物相容性。在大鼠模型中，進(jìn)一步評(píng)估了PEGDA框架和三種不同濃度的GelMA的模式，其中所述GelMA裝有血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子，具有潛在的新血管形成潛力。該團(tuán)隊(duì)提出的基于微流控的多材料立體光固化生物打印技術(shù)可以加工生物打印高保真復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)，為組織工程，再生醫(yī)學(xué)和生物傳感提供了更為強(qiáng)大的技術(shù)支持。

圖2（a）腫瘤血管生成模型 （b）骨骼肌模型 （c）肌腱-骨的嵌入模型

供稿人:李芝、賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室