《Biofabrication》綜述：體積生物打印進(jìn)展

來源：EFL生物3D打印與生物制造

生物打印在組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，但傳統(tǒng)的逐層打印方式存在打印速度慢、表面質(zhì)量差等問題，限制了其在生物制造領(lǐng)域的發(fā)展。此外，常用的光固化技術(shù)中，紫外線光源會損害細(xì)胞，不利于生物打印及后續(xù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。  

廣州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院謝茂彬教授團(tuán)隊(duì)在《Biofabrication》期刊發(fā)表綜述“Advances in Volumetric Bioprinting”，該篇綜述對體積生物打印（VBP）技術(shù)進(jìn)行了全面探討。文章介紹了VBP的打印原理和硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了基于VBP的生物墨水的研究進(jìn)展，包括多種生物墨水的配方及特性。同時(shí)，文中還展示了VBP在生物打印、多材料和多細(xì)胞打印、個性化藥片制備以及玻璃制造等多個生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用成果。通過這些研究，為解決傳統(tǒng)生物打印技術(shù)的痛點(diǎn)提供了新的思路和方法，推動了生物打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

1.生物打印的分類
分別介紹了噴墨式生打印技術(shù)，擠出式生物打印技術(shù)，光固化式生物打印技術(shù)和體積生物打印技術(shù)的成型特點(diǎn)。傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的逐層打印方式速度慢、表面質(zhì)量差，且常用的紫外線光源會損害細(xì)胞。VBP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能在數(shù)十秒內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的厘米級構(gòu)建體，具有快速制造、非接觸式打印和高細(xì)胞存活率等優(yōu)勢，在組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域前景廣闊。

圖1. 根據(jù)打印維度將3D打印技術(shù)分類

2. 體積生物打印的硬件設(shè)計(jì)和算法
CAL系統(tǒng)：受CT圖像重建過程啟發(fā)，通過DLP從不同角度向旋轉(zhuǎn)的樹脂容器投射2D圖像，使光敏樹脂在設(shè)計(jì)位置固化。該系統(tǒng)可在30 - 300秒內(nèi)制造厘米級構(gòu)建體，打印過程包括導(dǎo)入模型文件、算法計(jì)算、圖像優(yōu)化和投影打印等步驟。
高分辨率體積制造系統(tǒng)：在CAL系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加反饋系統(tǒng)，通過相機(jī)記錄打印過程并調(diào)整后續(xù)打印參數(shù)，可提高打印分辨率，能實(shí)現(xiàn)80µm的正特征和500µm的負(fù)特征精度。   
雙色光聚合系統(tǒng)：如Xolography，使用兩種不同波長的光束固化目標(biāo)光樹脂，具有比CAL更高的打印分辨率和體積生成速率。

圖2. 體積打印技術(shù)的發(fā)展歷程

圖3. CAL體積生物打印裝置示意圖和三維結(jié)構(gòu)的切片分析

圖4. 通過集成反饋系統(tǒng)提高體積生物打印的分辨率

3. 體積式打印的光交聯(lián)劑和生物墨水
VBP的發(fā)展依賴于合適的生物墨水。文中介紹了多種生物墨水，如絲素蛋白（SS和SF）與Ru/SPS組合的生物墨水，可打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)且具有獨(dú)特性能；Gel - NB與PEG4SH混合的生物墨水，具備較好的細(xì)胞相容性；還有工程聚合物樹脂、雙光子光引發(fā)劑（DCPI）以及用于陶瓷打印的墨水等，各自滿足不同的打印需求。

圖5. 常見的光引發(fā)劑

圖6. 部分體積打印墨水合成示意圖

4. 體積生物打印的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用   
生物打印：多個研究團(tuán)隊(duì)利用VBP技術(shù)打印出多種組織模型，如人體耳廓、半月板、骨組織等，且細(xì)胞存活率高。還能打印器官類結(jié)構(gòu)，為生物工廠的發(fā)展提供了可能。

圖7. 體積生物打印的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

多材料和多細(xì)胞打印：通過與其他3D打印技術(shù)結(jié)合，VBP在制造多材料和多細(xì)胞的異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)方面取得進(jìn)展，如構(gòu)建多細(xì)胞血管模型和局部高密度細(xì)胞結(jié)構(gòu)。   

圖8. 體積生物打印的多材料和多細(xì)胞應(yīng)用

個性化藥片制備：研究人員使用體積打印機(jī)在短時(shí)間內(nèi)制備出含藥物的個性化藥片，展現(xiàn)了VBP在制藥領(lǐng)域的優(yōu)勢。   

圖9. 體積打印技術(shù)制造藥片

玻璃制造：VBP可用于制造二氧化硅玻璃和硅氧碳陶瓷，提高了制造效率和模型優(yōu)化速度。

圖10. 體積生物打印裝置制備硅玻璃和碳化硅陶瓷

5. VBP的展望
通過硬件和軟件的改進(jìn)，打印分辨率和保真度將得以提升；開發(fā)新型生物墨水，可拓展其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍；多材料和多細(xì)胞 VBP 的發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜組織和器官模型的構(gòu)建；原位 VBP 也可能成為新的研究熱點(diǎn)。此外，人工智能輔助打印技術(shù)將優(yōu)化打印參數(shù)，補(bǔ)償細(xì)胞散射效應(yīng)，推動 VBP 在醫(yī)療設(shè)備制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為生物醫(yī)學(xué)發(fā)展帶來更多可能。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad0978