基于投影的3D生物打印過程中光固化強(qiáng)度可調(diào)水凝膠生物墨水的可打印性研究

供稿人：賀佩、賀健康
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3D打印，也稱為增材制造，因其具備個(gè)性化制造復(fù)雜模型的能力成為一種適合再生醫(yī)學(xué)的方法。近年來已報(bào)道了許多利用3D打印技術(shù)進(jìn)行組織工程支架打印案例，表明其在制造人工器官/組織方面具有強(qiáng)大潛力。數(shù)字光處理（DLP）是另一種高分辨率印刷方法，開發(fā)可光固化、具有生物相容性且具備適宜的機(jī)械性能的材料對利用DLP技術(shù)構(gòu)建人工器官/組織具有重要意義。明膠甲基丙烯酰基（GelMA）是一種由天然聚合物改性的可光固化水凝膠，具有最廣泛的細(xì)胞相容性，是平衡生物相容性和可印刷性的3D生物打印的理想材料，但其交聯(lián)過程復(fù)雜，難以確定反應(yīng)的程度，且其機(jī)械性能較差，難以滿足打印需求。

浙江省3D打印工藝與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Yuan Sun等提出了一種雙鍵修飾的生物大分子的光交聯(lián)理論，將明膠、透明質(zhì)酸和殼聚糖等生物大分子通過取代反應(yīng)獲得雙鍵基團(tuán)，從而獲得交聯(lián)能力。研究建立了由投影模塊、機(jī)械模塊和輔助模塊組成的生物打印裝置，以產(chǎn)生復(fù)雜的GelMA水凝膠模型。開發(fā)的數(shù)字光處理生物印刷(DLPBP)方法可概括為以下步驟。計(jì)算機(jī)將目標(biāo)3D數(shù)字模型切片成多個(gè)薄層。透明底部的墨盒中裝滿了GelMA墨水。打印開始時(shí)，打印平臺落入墨盒，底部有一層厚度的間隙。然后，投影儀將第一個(gè)切片的圖案發(fā)送到平臺上。圖案內(nèi)的GelMA油墨很快就會(huì)交聯(lián)，形成固體水凝膠結(jié)構(gòu)。隨著第一層的完成，平臺上升，為GelMA油墨留下一個(gè)新的缺口。然后，下一層的圖案被投影以形成新的層。重復(fù)此過程，以這種方式逐層打印模型。

圖1 具有卓越的生物相容性和可控的物理特性的復(fù)雜的高精度DLP打印模型

結(jié)果表明，將支架與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞陪養(yǎng)3d后，>90%的=細(xì)胞存活并擴(kuò)散良好。使用優(yōu)化的工藝參數(shù)打印了高精度厘米級的手形GelMA支架，下面將詳細(xì)介紹(圖1(Bi))。接種在支架上的細(xì)胞快速而均勻地附著。通過調(diào)整印刷工藝參數(shù)，可以獲得很大范圍的機(jī)械強(qiáng)度(10-103kPa)。該范圍涵蓋大多數(shù)軟組織，包括角膜、肝、腦、心、腎、肺、動(dòng)脈和皮膚。

綜上，研究提出了一種使用光固化性軟水凝膠油墨制造形狀復(fù)雜，精度高且機(jī)械性能可控的組織和器官的個(gè)性化定制水凝膠結(jié)構(gòu)生物印刷方法，提出了一種評價(jià)光交聯(lián)印刷技術(shù)的方法理論和模型。 根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)總結(jié)了機(jī)械參數(shù)圖，從而實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械性能的廣泛控制，驗(yàn)證了開發(fā)的光固化墨水對HUVECs生物相容性，但還未對不同細(xì)胞影響進(jìn)行研究。后續(xù)研究可以聚焦于細(xì)胞行為與打印方法參數(shù)之間的關(guān)系，建立了多細(xì)胞DLPBP方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：
Sun, Y., Yu, K., Nie, J., Sun, M., Fu, J., Wang, H., He, Y., 2021. Modeling the printability of photocuring and strength adjustable hydrogel bioink during projection-based 3D bioprinting. Biofabrication 13, 035032.. doi:10.1088/1758-5090/aba413