湖大團隊提出新型光散射抑制機制，助力高保真光固化生物3D打印

來源：中國機械工程學會

光固化 3D 打印技術(shù)是一種利用光照射來固化材料的 3D 打印方法。它使用特殊的光敏材料作為打印原料，通過光的照射將液態(tài)材料固化成固體，可以實現(xiàn)高精度和復雜幾何結(jié)構(gòu)的打印。

光固化 3D 打印技術(shù)也能用于打印生物墨水（含有細胞的打印原材料），它可以用來建造復雜的活性幾何結(jié)構(gòu)，在組織工程、藥物緩釋、植入物等生物醫(yī)學研究領(lǐng)域有著廣泛的應用。

然而，湖南大學教授韓曉筱課題組發(fā)現(xiàn)，在光照過程中由于折射率的不同，光在液體和固體的交界處、以及細胞和水凝膠界面處，會發(fā)生嚴重的物理散射現(xiàn)象。這導致不需要打印的區(qū)域的生物墨水也會被固化，這會降低打印的精度。因此很難使用這種方法打印一些仿生結(jié)構(gòu)。

圖 | 韓曉筱（來源：韓曉筱）

在近期一項研究中，該團隊提出一種用于抑制上述散射問題的方法，并制備出相應的添加物——姜黃鈉（Cur-Na）。此方法從兩個方面對散射進行了抑制：

一方面是物理方法，即吸收多余的散射光，降低光穿透深度，使非打印區(qū)域散射光減少。

另一方面是化學方法，由于姜黃鈉可以跟生物墨水中由光照產(chǎn)生的自由基進行化學反應，并且反應速率比水凝膠的交聯(lián)反應更高。這樣就能降低水凝膠在非目標區(qū)域的聚合反應速率。

另外姜黃鈉的反應產(chǎn)物為液體，在打印完成之后能被直接沖洗掉，這樣就從兩個方面抑制了非目標區(qū)域的固化，提高了打印精度。

通過以上方法，他們成功打印了多種復雜的具有細胞功能的結(jié)構(gòu)，比如血管支架、脊髓支架、極小三周期曲面等；并證明通過這種方法制造出來的復雜結(jié)構(gòu)具有很好的生物相容性，展示了其在器官打印、組織工程中的應用潛力。

之前，學界并未太多關(guān)注載細胞支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，原因有如下幾點：

其一，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是工程領(lǐng)域比較常用的方法，但是在生物領(lǐng)域運用得比較少。而該課題組發(fā)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，對于生物性能的影響其實非常大。

其二，優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)較為復雜，很難被制造出來。而本次成果解決了制造工藝的問題，因此可以將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制備出來，這能給今后植入支架的應用打下基礎(chǔ)。

目前，課題組已經(jīng)聯(lián)手相關(guān)醫(yī)院進行后續(xù)的應用研究，主要來說就是進行仿生支架的全周期定制，從細胞生長的模擬、支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化、到生物墨水的配置、復雜結(jié)構(gòu)的制造、再到動物實驗驗證支架的生物學功能。

據(jù)介紹，該團隊已經(jīng)進行到動物實驗。初步結(jié)果表明，優(yōu)化后的載細胞支架在血管生成、細胞生長和藥物釋放上，相比傳統(tǒng)支架有著較大優(yōu)勢，未來有望用于載細胞植入支架和類器官等。

（來源：Nature Communications）

韓曉筱說：“我們橫向比較了其他科研團隊的文獻，發(fā)現(xiàn)我們的方法對于打印光固化生物打印的精度有著較大的提高，對這一領(lǐng)域也有比較重要的潛在貢獻，于是我們決定將論文投稿到 Nature Communications�！痹谘芯窟^程中，韓曉筱也看到了文章一作博士生賀寧在研究中的成長。作為一名機械專業(yè)的學生，賀寧面臨著突破自身領(lǐng)域限制的挑戰(zhàn)。他意識到，光固化過程中的物理缺陷問題，只有跨越化學和材料科學領(lǐng)域才能得到解決。“盡管這對他來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，但是他并沒有退縮，而是決心克服困難，并與生物學專家和細胞實驗團隊完成了本次研究�！表n曉筱說。

最終，相關(guān)論文以《Photoinhibition via simultaneously photoabsorption and free-radical reaction for high-fidelity light-based bioprinting》為題發(fā)在 Nature Communications[1]上。湖南大學博士研究生賀寧為第一作者，湖南大學機械與運載工程學院韓曉筱教授和陳鋒副教授為通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

接下來，他們將進一步優(yōu)化打印性能，也會繼續(xù)發(fā)掘更多材料，并將它們用于光固化的散射抑制的應用中。另外，課題組也將尋求不同領(lǐng)域的合作，致力于拓展仿生復雜載細胞生物支架的應用領(lǐng)域。同時，也將探索新的研究方向。散射問題不止存在于光固化生物打印中，在光固化陶瓷、玻璃等打印領(lǐng)域也是一個很重要的共性問題，因此他們將聯(lián)合其他團隊開展一些探索。

“要想推動本次成果的應用轉(zhuǎn)化，我們還在積極尋求與相關(guān)產(chǎn)業(yè)或機構(gòu)開展合作，從而加速這一系列研究的進展，將成果轉(zhuǎn)化為實際應用或產(chǎn)品�！�

另據(jù)悉，此前韓曉筱在英國讀完了碩士和博士后，并曾在英國高校擔任講師職位。她說：“我總共在英國待了 13 年。在英國期間，我組建了一個研究團隊，并擔任了獨立 PI 的角色�！�

擔任獨立 PI 三年之后，她與湖南大學建立聯(lián)系并回到中國。其表示：“我之所以做出這個決定，是因為我的研究方向非常交叉，涉及生物學、機械工程、醫(yī)學和材料化學等多個領(lǐng)域。在國外，我發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)一些科研想法相對困難。而湖南大學為我提供了一個更高的平臺。”

比如，這篇論文中的所有作者都來自湖南，包括來自湖南大學生物學院和材料學院、以及來自湖南農(nóng)大的老師等�！拔艺J為這個科研環(huán)境為我們的交叉研究提供了很好的支持，選擇回到湖南大學對于我的科研方向是一個正確而明智的決定。”韓曉筱說。