如何開展生物3D打印課題？（案例篇-通用策略研究）

來源： EngineeringForLife

在生物3D打印相關研究中，通用性高、適用范圍廣的策略對于研究的開展具有較高的指導意義，其可在很大程度上縮短研究者的實驗周期，為科研人員節(jié)省大量時間與精力。本期，從生物3D打印課題的通用策略研究出發(fā)，針對投影式光固化和擠出式這兩種打印方法，帶領大家深入了解相關內容。

案例1：投影式光固化生物3D打印通用策略研究

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31002-2

該研究提出了一種基于分子裂解的生物3D打印方法，通過將甲基丙烯酸透明質酸（HAMA）與甲基丙烯酰明膠（GelMA）混合，得到一種在打印時具有較高機械性能的生物墨水，從而實現打印結構的精準成形，并在打印結束后選擇性地對結構中的HAMA進行酶解，可使打印結構變軟，進而使打印結構與人體組織的機械性能相匹配，與此同時維持了結構的復雜性和保真度，該策略可用于具有高生物相容性但機械強度欠佳的同類型生物墨水研究。

圖1 打印通用策略原理及廣泛的機械性能可調性

1、GelMA/HAMA混合生物墨水的可打印性研究
該研究通過對不同分子量、濃度配比的GelMA/HAMA混合生物墨水進行打印測試，得到了不同材料條件下的可打印窗口。

圖2 GelMA/HAMA生物墨水的可打印性評估

2、打印結構HAMA酶解實驗
依據可打印性研究得到的不同材料條件下的打印窗口，可選擇合適配比的材料進行不同組織結構的打印，隨后對打印結構進行HAMA酶解，可得到具有廣泛機械性能調控范圍的復雜軟組織模型結構。通過對GelMA、HAMA及透明質酸酶的成分調控，可得到與大腦、肝臟、肺、心臟等組織相似機械強度的打印結構。

圖3 打印結構機械強度與HAMA酶解程度的關系

案例2：擠出式生物3D打印通用策略研究

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc5529

該研究通過向打印材料中添加明膠，使其具備溫敏特性，從而制成互補網絡生物墨水，通過利用明膠溫敏性可逆的特點來調節(jié)打印過程中不同階段生物墨水的機械強度，所制備的互補網絡生物墨水可使擠出式生物3D打印過程中可打印性和生物相容性實現更好地兼容。此外，該策略也適用于其他可溶于明膠的生物墨水，這極大地擴展了該方法所適用的生物墨水范圍，使其在不同的生物材料體系和3D打印方案中具有廣泛的適用性。

1、互補網絡生物墨水打印原理測試
該研究首先使用甲基丙烯酸透明質酸(HAMA)作為代表性的生物墨水進行了打印及流變學測試，并通過向HAMA中添加明膠得到HAMA+互補網絡生物墨水，從而改善了HAMA的可打印性。打印全程經歷了低溫擠出成形、光照交聯(lián)、升溫孵化三個過程，在保證了生物墨水中細胞地生物相容性的同時，維持了打印結構機械強度。

圖4 互補網絡生物墨水的3D打印過程

2、通用性驗證
隨后，該研究嘗試將互補網絡生物墨水的原理應用于其他聚合物上，包括基質衍生蛋白、基質衍生糖胺聚糖及其他天然多糖。為此，研究人員使用了12種可光交聯(lián)生物墨水進行打印驗證（HANB、GelMA、GelAGE等），并對這些互補網絡生物墨水的3D打印參數進行了優(yōu)化；最終證實了明膠成分對生物墨水的可打印性起到了決定性作用，且該策略具有一定的通用性。

圖5 互補網絡生物墨水庫

3、機械性能維持效果驗證
最后，研究人員對軟水凝膠中明膠成分對機械性能的影響進行了測試，通過對比三種軟水凝膠互補網絡生物墨水(HANB+、GelMA+和GelAGE+)和其無明膠成分生物墨水打印結構的機械性能，最終得知明膠的加入對印刷結構的長期機械性能影響很小。

圖6 3D打印軟水凝膠結構

結語
本文用兩個案例分別介紹了基于投影式光固化和擠出式的兩種生物3D打印方法通用策略的相關研究。其都是通過對材料進行設計，首先滿足打印過程中對于材料機械性能的需要，隨后依據應用需求對打印出的結構進行后處理，得到合適的打印結構機械強度。兩個案例中的方法都可用于不同材料體系中，具有很強的通用性。