荷蘭研究人員提出了一種旋轉(zhuǎn)快速生物3D打印方法

供稿人:顧恒、連芩
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　

通常，生物3D打印將“點(diǎn)”（噴墨打�。�、“線”（擠出打�。�、“面”（面曝光打�。┳鳛榛�本打印單元，這種按照?qǐng)D層方式構(gòu)建三維對(duì)象的方法不僅限制了打印結(jié)構(gòu)類型（如復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)和懸垂結(jié)構(gòu)），還限制了打印速度，而較長(zhǎng)的打印過(guò)程大大提高了打印材料中細(xì)胞損害的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決上述問(wèn)題，在計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）的啟發(fā)下，荷蘭的研究人員提出了一種旋轉(zhuǎn)打印的方法。如圖1（A）、（B）所示，該方法利用投影儀依次投射從不同角度觀察物體的圖像，在多重曝光作用下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)含有光固化凝膠的料筒動(dòng)態(tài)制造復(fù)雜的物體。

利用“軸向旋轉(zhuǎn)法”制造的模型的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是速度快，其制造時(shí)間受模型尺寸的影響較小。如圖1所示，打印一個(gè)4.14cm3的人耳廓模型僅耗時(shí)22.7s。與擠出打印相比，打印速度提高了250倍，與面曝光打印相比，速度提高了75倍。同時(shí)，利用“軸向旋轉(zhuǎn)法”制造的模型，其表面更加光滑柔順。

圖1 （A）打印旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（B）斷層投影原理圖（C）人耳廓水凝膠模型

這項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是在不使用犧牲材料的情況下，可以制造自由浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，研究人員打印了一個(gè)功能性的球籠心臟瓣膜模型，具有單向流動(dòng)的功能。這種閥門(mén)結(jié)構(gòu)無(wú)法利用擠出打印和面曝光打印技術(shù)直接制造。此外，研究人員還能夠利用相關(guān)細(xì)胞（如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和關(guān)節(jié)軟骨祖細(xì)胞）對(duì)幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如半月板）進(jìn)行生物打印，結(jié)果顯示可以保持高的細(xì)胞活力（>85%）。

圖 2 內(nèi)部可自由浮動(dòng)的心臟瓣膜模型

利用“軸向旋轉(zhuǎn)法”能夠以前所未有的速度制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大尺寸模型（直接打印內(nèi)部具有血管網(wǎng)的組織模型），這將有利于擴(kuò)大光固化水凝膠在組織工程和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；其超快的打印速度也有利于降低打印過(guò)長(zhǎng)對(duì)細(xì)胞的損害。然而，這種方法仍有一定局限性，研究人員還在繼續(xù)探究利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞多材料打印。

參考文獻(xiàn)：
Paulina Nuñez Bernal, Delrot P , Loterie D , et al. Volumetric Bioprinting of Complex Living-tissue Constructs within Seconds[J]. Advanced Materials, 2019.