華東交通大學(xué)：逐點(diǎn)光固化原理的低成本生物3D打印設(shè)備

生物3D打印機(jī)通常價(jià)格都比較貴，有沒(méi)有原理簡(jiǎn)單、小巧、成本低，適合于入門(mén)級(jí)的打印方法？EFL一直認(rèn)為生物3D打印只有逐步成為生物材料、再生醫(yī)學(xué)類研究人員標(biāo)配的實(shí)驗(yàn)儀器，這個(gè)行業(yè)才會(huì)有蓬勃的發(fā)展動(dòng)力，這也是EFL生物打印機(jī)研發(fā)一直堅(jiān)持的理念及愿景。

近期，華東交通大學(xué)的劉燕德教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合EFL團(tuán)隊(duì)在Bioactive Materials上發(fā)表了題為“Lightweight 3D bioprinting with point by point photocuring”的文章，報(bào)道了一種基于立體光刻的輕量級(jí)3D生物打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)小巧（30*30*20cm）、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合入門(mén)級(jí)應(yīng)用。研究人員系統(tǒng)地探索了逐點(diǎn)固化3D生物打印工藝并進(jìn)行了細(xì)胞打印，證明即使是這么簡(jiǎn)單的系統(tǒng)在保證打印精度的同時(shí)也能夠很好的維持細(xì)胞活性。

首先，研究人員依據(jù)立體光刻原理搭建了一套3D生物打印系統(tǒng)（圖1），其可用于甲基丙烯酰基改性的水凝膠的3D生物打印。

圖1 立體光刻生物打印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

其次，研究人員對(duì)所用甲基丙烯酰明膠（GelMA）材料的流變學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，針對(duì)水凝膠的可光固化性能及打印時(shí)的材料模量進(jìn)行了定性的分析。

圖2 打印材料的流變學(xué)測(cè)試

隨后研究人員對(duì)立體光刻打印成型工藝過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)性的探索。針對(duì)水凝膠固化成光斑的過(guò)程（圖3）及固化的點(diǎn)光斑連接成三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程（圖4）進(jìn)行了分析，最終得到最佳打印參數(shù)窗口。

圖3 水凝膠固化成光斑過(guò)程中的可打印性分析

圖4 固化的點(diǎn)光斑連接過(guò)程中的可打印性分析

根據(jù)所得到的最佳打印參數(shù)窗口，研究人員利用打印系統(tǒng)制造出了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)（圖5）及仿生結(jié)構(gòu)（圖6），從而實(shí)現(xiàn)GelMA水凝膠的精確控型。隨后研究人員對(duì)打印出的網(wǎng)格支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮測(cè)試（圖7）。

圖5 復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)

圖6 仿生結(jié)構(gòu)

圖7 打印結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)試

最后，為了滿足生物3D打印中生物相容性的要求，研究人員進(jìn)行了水凝膠細(xì)胞打印實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖8、圖9）可以看出打印的細(xì)胞經(jīng)過(guò)5天的培養(yǎng)后能夠保持良好活性，且出現(xiàn)了一定的增殖及伸展的情況，這驗(yàn)證了該生物打印方法具有較好的生物相容性。

圖8 細(xì)胞活性分析

圖9 載細(xì)胞支架骨架染色

綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)了一種輕量級(jí)的立體光刻生物打印系統(tǒng)，并通過(guò)系統(tǒng)性探索逐點(diǎn)固化的3D生物打印方法解釋了水凝膠光固化的成型機(jī)理。該立體光刻生物打印系統(tǒng)為制造具有優(yōu)異形狀保真度的可光交聯(lián)的生物墨水提供了便攜、低成本的策略。該策略在藥物篩選、病理機(jī)制研究和生物疾病模型構(gòu)建中具有較好的應(yīng)用前景。

論文：“Lightweight 3Dbioprinting with point by point photocuring”已在Bioactive Materials期刊在線刊登。華東交通大學(xué)張鵬碩士、浙江大學(xué)王昊軒碩士為共同第一作者，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授、高慶博士后、華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院劉燕德教授為共同通訊作者。


論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2452199X20302747