Jason A. Burdick團(tuán)隊：3D打印出具有功能性單體、復(fù)雜形狀和多種材料的物體

來源： EngineeringForLife

3D打印，這個火出圈的技術(shù)可謂是得到了廣泛發(fā)展，近年來已成為頂刊�？�！今年的8月1號，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的Jason A. Burdick團(tuán)隊在《Science》上發(fā)表了一篇名為“Additive manufacturing of highly entangled polymer networks”的研究性論文，就連Science的Marc S. Lavine編輯都對其進(jìn)行了高度評價：這種方法能夠打印出具有功能性單體、復(fù)雜形狀和多種材料的物體。

時隔2個月，這個團(tuán)隊又以“基于光刻技術(shù)的水凝膠3D打印”為主要內(nèi)容的綜述發(fā)表在了《Nature Reviews Bioengineering》上。在本綜述中，該團(tuán)隊介紹了基于光的光刻3D打印方法來處理水凝膠，并提供了基于光刻的打印指南，從生物樹脂選擇到打印參數(shù)的優(yōu)化。此外，作者重點(diǎn)介紹了水凝膠體外和體內(nèi)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的例子，其中已經(jīng)利用了基于光刻的方法，并討論了將水凝膠加工成具有多尺度組織的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的努力。相關(guān)論文以“Lithography-based 3D printing of hydrogels”為題于2024年10月16日發(fā)表在《Nature Reviews Bioengineering》上。

本文的主要關(guān)鍵內(nèi)容主要有以下5點(diǎn)：

（1）基于光刻的3D打印可實(shí)現(xiàn)高分辨率結(jié)構(gòu)，且不會影響制造速度；   

（2）可以使用多種基于光刻的方法來處理水凝膠，以控制水凝膠的結(jié)構(gòu)以及生化和生物物理特性；

（3）基于光刻的印刷涉及從樹脂配方到后處理的一系列步驟；

（4）水凝膠打印技術(shù)在組織工程和藥物篩選體外模型等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景；

（5）先進(jìn)的光刻技術(shù)正在增加印刷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并將其用途擴(kuò)展到新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.光聚合法
立體光刻和雙光子聚合都使用沿槽表面或槽內(nèi)連續(xù)或脈沖激光掃描，以線性逐點(diǎn)方式將光反應(yīng)性樹脂交聯(lián)成3D物體（表1）。大多數(shù)立體光刻系統(tǒng)由高強(qiáng)度近紅外激光源、聚焦高數(shù)值孔徑物鏡和平移臺組成，以實(shí)現(xiàn)3D物體的構(gòu)建。光固化樹脂包括膠原蛋白、明膠和透明質(zhì)酸，可用于帶或不帶細(xì)胞的打印。雙光子聚合需要使用專門的光引發(fā)劑來實(shí)現(xiàn)自由基的產(chǎn)生，從而引發(fā)所需樹脂體積內(nèi)的交聯(lián)反應(yīng)。然而，立體光刻和雙光子聚合提供的高分辨率通常以較長的制造時間（數(shù)小時）為代價。此外，較大結(jié)構(gòu)（幾毫米到幾厘米）的制造受到用于將激光脈沖聚焦到樹脂中的顯微鏡物鏡的工作距離的限制，這會降低可擴(kuò)展性。

數(shù)字光處理(DLP)是水凝膠最廣泛使用的基于光刻的打印方法之一。它涉及自上而下或自下而上的光投影，以實(shí)現(xiàn)3D物體的逐步制造�；�于光（365 nm 的紫外線或 405 nm的可見光）的液態(tài)樹脂交聯(lián)是通過使用數(shù)字微鏡設(shè)備進(jìn)行圖案化光投影實(shí)現(xiàn)的。DLP的一個限制是階梯效應(yīng)：由于逐層制造，打印物體的表面上會出現(xiàn)可見的階梯狀圖案。

體積增材制造(VAM)，是一種最近開發(fā)的基于光刻的方法，它依賴于使用光投影的體積光聚合，類似于3D相干斷層掃描成像。含有光反應(yīng)性樹脂的桶的旋轉(zhuǎn)與切片圖像的投影同步，以允許從各個角度投射的圖案中積累3D光劑量，從而導(dǎo)致體素的凝固，而不是順序或連續(xù)固化層。

表1 光聚合法樹脂要求及印刷特性

2.光聚合樹脂
光聚合反應(yīng)中使用的樹脂是各種反應(yīng)性分子和添加劑的溶液，這些分子和添加劑可實(shí)現(xiàn)凝膠化，即樹脂在光照下從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。在基于DLP和VAM的水凝膠打印中，必須考慮樹脂配方的關(guān)鍵參數(shù)（圖1a、b）。打印機(jī)規(guī)格（例如光源和強(qiáng)度、切片層厚度、光學(xué)分辨率、構(gòu)建板移動速度或槽旋轉(zhuǎn)速度）也會對基于光刻的水凝膠打印產(chǎn)生相當(dāng)大的影響（圖1c）。

圖1 影響光聚合的樹脂和印刷參數(shù)

3.DLP打印分步指南
接著，作者提供了基于光刻技術(shù)打印水凝膠時需要考慮的步驟指南（圖2）。鑒于低成本商用DLP打印機(jī)的普及，本指南重點(diǎn)介紹基于DLP的3D水凝膠打印，以便首次使用者能夠輕松掌握，主要步驟包括選擇聚合物、調(diào)整光學(xué)特性、獲取工作曲線，優(yōu)化打印分辨率、準(zhǔn)備進(jìn)行3D打印以及輔助硬化。   

圖2 水凝膠數(shù)字光處理的分步指南

4.基于光刻技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)印刷
利用光刻技術(shù)處理水凝膠的應(yīng)用范圍很廣，從生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)金屬合金到培養(yǎng)肉。此外，它還可以應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)的三維支架以及疾病建模和藥物篩選的三維體外模型。這些應(yīng)用可以包括以預(yù)定義的空間方式整合多種細(xì)胞類型或基質(zhì)成分、設(shè)計孔隙或微通道以引導(dǎo)細(xì)胞浸潤或治療分子的特定放置。

（1）組織工程的3D支架
基于光刻技術(shù)的3D打印可生產(chǎn)高通量且精確的支架。這些支架可設(shè)計用于封裝或接種細(xì)胞或促進(jìn)細(xì)胞募集。這種基于水凝膠的醫(yī)療設(shè)備和植入物在組織修復(fù)、組織粘合劑、個性化生物材料和器官規(guī)模制造方面具有廣泛的應(yīng)用（圖3a）。在個性化醫(yī)療方面，可以使用高分辨率醫(yī)學(xué)成像（例如磁共振成像和計算機(jī)斷層掃描）設(shè)計3D支架，然后通過光聚合打印。該過程以高精度在幾秒到幾分鐘內(nèi)完成，可用于組織替換或設(shè)計用于制造醫(yī)療設(shè)備（例如粘合劑和貼片）的模板。

（2）3D體外模型
生物3D打印組織可以作為篩選患者來源細(xì)胞中藥物反應(yīng)的平臺，并包括能夠預(yù)測藥物性能的轉(zhuǎn)錄譜（圖3b）。除了篩選之外，體外3D系統(tǒng)還可以模擬健康或患病組織，以研究發(fā)育和疾病進(jìn)展。此類平臺允許以受控方式研究細(xì)胞串?dāng)_和細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的相互作用

圖3 基于光刻技術(shù)的水凝膠3D打印應(yīng)用

5.增強(qiáng)印刷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性
許多方法使用戶能夠靈活地在3D打印中對細(xì)胞和材料進(jìn)行圖案化。例如，可以在x-y和z方向上進(jìn)行多材料光聚合（圖4a）�；�于光刻的印刷技術(shù)可以與其他制造方法相結(jié)合，例如微流體、擠壓印刷、熔融電寫和基于多光子的激光燒蝕（圖4b）。打印后，水凝膠可以用生化線索進(jìn)行后功能化，并且可以進(jìn)行空間硬化或軟化（圖4c）。此外，水凝膠的灰度3D打印可用于控制機(jī)械異質(zhì)性或創(chuàng)建生化線索的梯度（圖4d）。光聚合還可以用多種協(xié)同或正交波長的光進(jìn)行（圖4e）；還可以通過4D打印水凝膠來設(shè)計響應(yīng)性材料（圖4f），這些水凝膠響應(yīng)外部觸發(fā)，隨時間(Δt)發(fā)生尺寸或形狀的動態(tài)變化。   

圖4 增強(qiáng)3D打印水凝膠的復(fù)雜性

綜上，光聚合可用于打印材料，用于設(shè)計體外模型或療法。然而，仍有許多挑戰(zhàn)需要解決，才能利用該技術(shù)設(shè)計出以可擴(kuò)展和可重復(fù)的方式模擬生物學(xué)復(fù)雜性的水凝膠。

（1）擴(kuò)大可用水凝膠樹脂庫
大多數(shù)光聚合樹脂僅限于與(甲基)丙烯酸酯和 (甲基)丙烯酰胺進(jìn)行鏈增長交聯(lián)。隨著新光化學(xué)的發(fā)展，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)可持續(xù)的合成路線，以制造樹脂并在體外和體內(nèi)測試其細(xì)胞和生物相容性。在評估印刷水凝膠的研究中使用的細(xì)胞和動物的年齡和性別也很重要。   

（2）精密打印
3D打印能夠在空間上控制細(xì)胞模式和材料，這使得水凝膠能夠重現(xiàn)生物系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。在為特定應(yīng)用設(shè)計水凝膠時，仍然可以選擇細(xì)胞指導(dǎo)、自上而下的組織制造方法或細(xì)胞允許的自發(fā)自組裝方法。3D打印可以生成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時考慮表面形貌、曲率、孔徑和形狀，從而為控制生物反應(yīng)提供了另一種方式；例如，宿主-免疫相互作用和體內(nèi)組織整合。3D結(jié)構(gòu)與材料生物特性之間的關(guān)系尚未得到充分研究，但應(yīng)予以評估。此外，將基于光的3D圖案與光遺傳學(xué)工具相結(jié)合，可以實(shí)時監(jiān)測微生理環(huán)境中基因表達(dá)的變化，以研究與疾病相關(guān)的基本途徑。

（3）監(jiān)管和商業(yè)化障礙
商業(yè)化將需要可用的方法來采購大量細(xì)胞和生物打印材料，以大規(guī)模合成生物聚合物，以及質(zhì)量保證方法以確保法規(guī)遵從性。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9