Bioactive Materials：投影式光固化生物3D打印的可打印性

來(lái)源：EngineeringForLife

近年來(lái)，投影式光固化生物3D打印（PBP）由于打印的高精度和高效率受到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在生物制造領(lǐng)域，該打印方法有望與擠出式生物打印平分秋色。但人們對(duì)于投影式光固化生物3D打印過(guò)程的理解仍很不清晰，阻礙了生物墨水的高質(zhì)量打印。近期，EFL團(tuán)隊(duì)沿著墨水配制-參數(shù)優(yōu)化-量化評(píng)價(jià)-打印規(guī)范化的工藝路線，系統(tǒng)探討了PBP技術(shù)的可打印性，給出了5類常用的打印參數(shù)配置參考，方便同行的快速應(yīng)用。相關(guān)工作“Printability during projection-based 3D bioprinting”近期發(fā)表在Bioactive Materials雜志上，浙大機(jī)械學(xué)院的喻康博士生為一作，邵逸夫醫(yī)院的張新杰博士生為共一，通訊作者為浙大機(jī)械學(xué)院的賀永教授。

投影式光固化生物3D打印技術(shù)是一種材料導(dǎo)向型的增材制造技術(shù)，隨著近年來(lái)水凝膠材料的改性修飾工藝日漸成熟，新型可光固化的水凝膠材料層出不窮。光固化水凝膠如何高效評(píng)價(jià)材料的可打印性? 如何快速調(diào)整打印參數(shù)?又如何量化評(píng)價(jià)成形過(guò)程中的各種誤差？

為此，我們系統(tǒng)的開(kāi)展了相關(guān)研究。作為生物應(yīng)用的生物墨水材料首先需要滿足的就是良好的生物性能（細(xì)胞相容性、細(xì)胞功能性、生物降解性等）。我們首先著眼于PBP的打印機(jī)理，分析在PBP打印過(guò)程中，水凝膠生物墨水需要滿足哪些性質(zhì)。從PBP打印過(guò)程3個(gè)關(guān)鍵步驟中，如圖1B所示，我們可以知道與常規(guī)的擠出打印不同，PBP打印時(shí)生物墨水需要具有良好的光交聯(lián)特性（交聯(lián)速率快和交聯(lián)強(qiáng)度高），以及良好的流動(dòng)性（較低粘度，與擠出打印的需求相反）。

圖1（A）PBP打印原理（B）PBP打印過(guò)程關(guān)鍵步驟

再次，為了有效提高水凝膠墨水的交聯(lián)速率和交聯(lián)強(qiáng)度，我們對(duì)生物墨水材料的交聯(lián)過(guò)程進(jìn)行分析，我們選取GelMA材料作為生物墨水，對(duì)自由基交聯(lián)化學(xué)過(guò)程進(jìn)行剖析（圖2所示），并分析如何將打印機(jī)的調(diào)配參數(shù)和光交聯(lián)化學(xué)過(guò)程的控制條件聯(lián)系起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)生物墨水的可控打印，從而調(diào)控生物墨水的交聯(lián)速率和交聯(lián)強(qiáng)度。同理，其他的生物墨水材料（自由基、陰離子、陽(yáng)離子等交聯(lián)體系材料）均可通過(guò)該思路建立交聯(lián)過(guò)程與PBP參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)生物墨水的可控打印。

區(qū)別于直接光固化交聯(lián)，PBP是投影圖案的光源在材料內(nèi)的區(qū)域選擇性固化（圖3所示），該過(guò)程從打印精度控制的角度對(duì)生物墨水材料的光固化特性提出了更高的要求。

圖2 GelMA生物墨水的光交聯(lián)過(guò)程分析

圖3 光固化生物墨水在圖案化光源下的交聯(lián)規(guī)律

如何控制光交聯(lián)過(guò)程精度至關(guān)重要，隨后我們著重對(duì)PBP的打印誤差進(jìn)行了分析和調(diào)控。根據(jù)PBP面成型的特點(diǎn)，我們將打印誤差分為2D誤差（層內(nèi)誤差）和3D誤差（層間誤差），并分別提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)最終的打印結(jié)果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，得出各個(gè)材料參數(shù)和打印參數(shù)對(duì)打印誤差形成的影響，以及調(diào)控的可行性（圖4、5所示）。

圖4 2D誤差原理分析以及各參數(shù)的影響

圖5 3D誤差原理分析以及各參數(shù)的影響

緊接著，我們?cè)趯�參�?shù)調(diào)控和誤差控制的方法應(yīng)用到實(shí)際的結(jié)構(gòu)打印過(guò)程中時(shí)，發(fā)現(xiàn)最終打印結(jié)果的好壞還與目標(biāo)結(jié)構(gòu)的三維形狀有巨大的聯(lián)系。作者根據(jù)投影截面的形狀，結(jié)合目前最常見(jiàn)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景需求，將常用生物制造結(jié)構(gòu)分為5類，并對(duì)每一類的結(jié)構(gòu)特征和打印難點(diǎn)進(jìn)行分析，并給出了打印該結(jié)構(gòu)的材料配制（生物墨水濃度、引發(fā)劑濃度等）、參數(shù)選擇等給出了打印策略（圖6所示），并應(yīng)用該策略成功打印了各類結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了這些打印策略的可行性（圖7所示）。

圖6 五類生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的打印策略

圖7 應(yīng)用該策略的打印結(jié)果示例

最后，作者結(jié)合應(yīng)用導(dǎo)管結(jié)構(gòu)（Conduit structure）和微柱結(jié)構(gòu)（Microcolumn structure）的打印策略，成功打印了GelMA的多孔支架結(jié)構(gòu)。并在支架上接種了GFP轉(zhuǎn)染的內(nèi)皮細(xì)胞，圖8展示了內(nèi)皮細(xì)胞在多孔支架上的生長(zhǎng)狀況。經(jīng)過(guò)10天的培養(yǎng)，內(nèi)皮細(xì)胞可以幾乎爬滿整個(gè)支架的外表面并呈現(xiàn)出很好的活性。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)PBP打印，GelMA墨水的生物特性依舊保持優(yōu)異，而這樣的多孔結(jié)構(gòu)，可以大大增加結(jié)構(gòu)的比表面積，促進(jìn)支架內(nèi)外的物質(zhì)交換，該類結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞擴(kuò)增、軟組織修復(fù)等都有巨大的應(yīng)用潛力。除了內(nèi)皮細(xì)胞以外，作者還驗(yàn)證了GelMA材料對(duì)肌腱干細(xì)胞（TSCs）和骨間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的細(xì)胞兼容性，進(jìn)一步說(shuō)明了PBP技術(shù)打印的多孔支架在干細(xì)胞擴(kuò)增方面的應(yīng)用潛力。

圖8 PBP打印的GelMA多孔支架上接種的HUVECs狀態(tài)

圖9 肌腱干細(xì)胞（TSCs）和骨間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的生物學(xué)性能驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

Kang Yu, Xinjie Zhang, Yuan Sun, Qing Gao,Jianzhong Fu, Xiujun Cai, Yong He, Printability during projection-based 3Dbioprinting, Bioactive Materials

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.09.021