南極熊教你3D打印心臟：生物3D打印技術(shù)深入解讀之三

該文章的作者是南極熊網(wǎng)友：中國(guó)生物3D打印機(jī)開發(fā)者劉博士。劉博士將從組織工程、生物制造、幾種關(guān)鍵技術(shù)、生物3D打印輸送系統(tǒng)等部分介紹。由于文章內(nèi)容很充實(shí)，南極熊將以連載的形式給大家介紹。今天先來(lái)看目前常見的各種生物制造技術(shù)。


生物3D打印技術(shù)深入解讀的文章已經(jīng)連載到了第三天了，今天我們將對(duì)生物3D打印材料輸送系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

生物3D打印材料輸送系統(tǒng)

材料輸送系統(tǒng)是生物三維打印中的關(guān)鍵技術(shù)之一，在三維打印工藝中材料必須被離散為離散的點(diǎn)單元或連續(xù)線單元，并將裝配單元堆積起來(lái)，因此，材料輸送系統(tǒng)總體上可以分為兩類：即離散噴射噴頭和連續(xù)噴射噴頭。采用離散打印和連續(xù)打印構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)如圖所示。

離散打印和連續(xù)打印構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)

生物打印噴頭設(shè)計(jì)



離散打印噴頭設(shè)計(jì)

目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種采用離散點(diǎn)單元的生物材料打印噴頭，目前這些技術(shù)主要用于構(gòu)建二維的平面模型，構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)仍然面臨較大困難。根據(jù)噴頭的原理不同，可以分為以下幾種：

ü  生物噴墨打印噴頭

ü  激光生物打印噴頭

ü  微閥驅(qū)動(dòng)打印噴頭

ü  聲波驅(qū)動(dòng)打印噴頭

（1）  生物噴墨打印噴頭

生物噴墨打印是利用商用的噴墨打印機(jī)改造而來(lái)，而商用的噴墨打印機(jī)又分為熱噴墨打�。╰hermal inkjet）和壓電噴墨打�。╬iezoelectricinkjet），其中熱噴墨噴頭是在噴嘴處加熱，墨滴溫度升高后會(huì)形成氣泡，在氣泡驅(qū)使下液滴被打印出來(lái)；而壓電噴墨則是通過安裝在噴嘴處的壓電晶體的變形與收縮來(lái)驅(qū)使液滴的產(chǎn)生和打印。

熱噴墨噴頭（上）和壓電噴墨噴頭（下）原理

最早Xu T等人改造了惠普HP 550C打印機(jī)和HP 51626a型打印墨盒，將含有中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞和鼠胚胎運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元細(xì)胞的磷酸鹽緩沖溶液當(dāng)做墨滴，打印在膠原和瓊膠水凝膠基底上，結(jié)果顯示溶解的細(xì)胞低于10%。迄今為止，研究人員已經(jīng)對(duì)噴墨打印在蛋白、生物大分子、生長(zhǎng)因子和細(xì)胞等方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，未來(lái)在基于細(xì)胞的生物傳感器及組織工程方面具有廣闊的前景。

  噴墨打印的問題在于可以打印的材料粘度低，一般不高于30mPa.s，因此無(wú)法打印粘度較高的水凝膠材料，在組織工程中的應(yīng)用受到局限。為了解決這個(gè)問題，Boland T等人用噴墨打印機(jī)打印CaCl2溶液，打印機(jī)的下部為含有海藻酸鈉的成形室，海藻酸鈉在Ca2+的作用下發(fā)生交聯(lián)，通過升降的成形平臺(tái)層層打印交聯(lián)劑即可獲得三維的海藻酸納支架。工藝的原理和被打印的三維結(jié)構(gòu)如圖所示。

三維噴墨打印及其打印的海藻酸鈉支架

基于壓電晶體的微滴噴射噴頭也是實(shí)現(xiàn)噴墨打印的非常重要的方式，下圖顯示了幾種基于壓電噴射的噴頭結(jié)構(gòu)圖，利用壓電晶體在電壓波形作用下的軸向或徑向變形來(lái)驅(qū)動(dòng)液滴的產(chǎn)生，電壓波形的幅值和頻率是關(guān)鍵的控制參數(shù)，此外液體本身的粘度特性對(duì)液滴的產(chǎn)生也有重要影響。

壓電晶體徑向變形驅(qū)動(dòng)玻璃管產(chǎn)生微滴

壓電晶體軸向變形驅(qū)動(dòng)薄膜變形產(chǎn)生微滴

壓電晶體徑向變形驅(qū)動(dòng)環(huán)氧樹脂管產(chǎn)生微滴

壓電晶體薄片振動(dòng)變形驅(qū)動(dòng)微滴產(chǎn)生

（1）  激光生物打印噴頭

激光生物打印是基于激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)（laser-inducedforward transfer，LIFT）的打印方法，其原理如下圖如所示。入射的脈沖激光經(jīng)聚焦后照射在材料薄層和透明基片間的界面上，當(dāng)脈沖激光輸出時(shí)，能量被吸收，此時(shí)材料層的材料微滴就會(huì)被打印至接收基底上，形成打印像素點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)最早是在1971年由A.D. Brisbane提出，目前已經(jīng)用于打印DNA、蛋白以及其他生物大分子的二維陣列。

LIFT技術(shù)原理圖

J.A.Barron等人在LIFT技術(shù)基礎(chǔ)上增加了中間吸收層以吸收入射的激光能量以減小激光對(duì)被打印對(duì)象的危害，從而可以用于打印活細(xì)胞，如圖。

激光生物打印技術(shù)

采用激光生物打印噴頭打印的主要以二維結(jié)構(gòu)為主，構(gòu)建具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)仍然有較大困難。

（1）  微閥驅(qū)動(dòng)打印噴頭

圖7是利用電磁微閥作為驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行離散打印的噴頭結(jié)構(gòu)，其核心部件是驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)的電磁線圈、復(fù)位彈簧和閥芯，當(dāng)線圈得電時(shí)，閥芯向下運(yùn)動(dòng)打開材料入口，此時(shí)材料在氣體壓力作用下從噴嘴處噴射；當(dāng)線圈失電時(shí)，在復(fù)位彈簧作用下閥芯向上運(yùn)動(dòng)，材料入口被關(guān)閉，從而關(guān)閉噴頭。通過控制施加在線圈上的脈沖信號(hào)即可控制噴頭的開關(guān)，從而獲得離散打印微滴。除了氣體壓力源外，也可采用注射泵作為壓力源，如圖7（右）所示�；�于微閥控制的方式，Alan Faulkner-Jones等人開發(fā)了細(xì)胞打印機(jī)，并用于人體胚胎干細(xì)胞打印，并首次實(shí)現(xiàn)了胚胎干細(xì)胞的打印。其所開發(fā)的細(xì)胞打印裝置如圖8所示。

圖7 電磁閥驅(qū)動(dòng)打印噴頭，氣體壓力源（左）和注射泵壓力源（右）

圖8 基于電磁微閥打印的細(xì)胞打印裝置

（4）  聲波驅(qū)動(dòng)打印噴頭

圖9為聲波驅(qū)動(dòng)打印噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖，圓環(huán)交指型換能器陣列式地分布在壓電型的基底上，圓環(huán)交指型換能器可以產(chǎn)生表面聲波，聲波傳播進(jìn)入壓電基底上的流體，并可在傳播的前端某處發(fā)生聲波聚焦，當(dāng)聲波剛好聚焦在流體表面，產(chǎn)生的聲波力足以克服流體的表面張力時(shí)，就會(huì)形成材料微滴單元。

圖9 聲波驅(qū)動(dòng)打印噴頭

前面綜述了幾種離散微滴打印的噴頭設(shè)計(jì)方法，總體來(lái)講，微滴打印在生物方面的應(yīng)用主要集中在液滴的二維陣列打印用以制造生物芯片、生物傳感器和材料表面的微陣列化等，在組織工程方面的應(yīng)用有限。

（1）  離散單元的連續(xù)打印

前面所述的方式打印的材料微滴一般體積為pL（10-12L）~nL（10-9L），當(dāng)用直徑達(dá)到數(shù)百微米（300~500μm）的組織微球作為打印單元時(shí)，便可用于構(gòu)建三維的工程化組織。

OrganOVO公司提出了一種利用多細(xì)胞組織微球作為組裝單元進(jìn)行器官打印的方法。在該工藝中，包括兩種材料，一種是用做支撐結(jié)構(gòu)的支撐材料，往往采用水凝膠，在結(jié)構(gòu)成形完畢后，支撐材料被去除；另外一種為多細(xì)胞組織微球，是結(jié)構(gòu)構(gòu)建的關(guān)鍵單元。打印后的組織微球經(jīng)體外培養(yǎng)后發(fā)生融合，從而形成細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)，如圖10所示。最初，該工藝用于制造血管，其過程如圖11所示。該過程需使用兩個(gè)噴頭，一個(gè)噴頭噴射瓊脂糖水凝膠，作為支撐單元，用連續(xù)線單元噴頭進(jìn)行噴射；另一個(gè)噴頭噴射多細(xì)胞組織微球，微球包裹在水凝膠材料中，如圖10c和d所示，用連續(xù)打印的方式進(jìn)行噴射。

因此，盡管其構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的基本單元為離散單元，但對(duì)噴頭而言，仍然屬于連續(xù)打印，這也是該工藝的特別之處。

圖10 離散化組織微球打印示意圖

圖11 基于組織微球打印的血管制造過程

連續(xù)打印噴頭設(shè)計(jì)

采用連續(xù)打印的方式更有利于構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，尤其是大尺寸的三維結(jié)構(gòu)，線單元具有較高的成形效率、可以自支撐，因此很多生物三維打印技術(shù)是基于連續(xù)噴射方式。

（1）  螺桿擠壓噴頭

螺桿擠壓是塑料熔體注塑加工工藝中常用的方法，一般將熱塑性聚合物加熱至熔融狀態(tài)，在旋轉(zhuǎn)螺桿的作用下將熔體以一定的壓力和速度注入模具，從而生產(chǎn)復(fù)雜的注塑零件。

用作生物三維打印時(shí)，生物材料一般可配置成為溶液態(tài)，在室溫狀態(tài)下用螺桿擠壓方式進(jìn)行噴射，也可將生物材料加熱熔融，但高溫會(huì)使生物材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響生物材料的性能，因此一般不適宜用加熱熔融的方式。本章后面對(duì)用螺桿擠壓方式噴射PLGA溶液有詳細(xì)的論述。

（2）  氣動(dòng)噴射噴頭

氣動(dòng)擠壓噴頭是利用氣體壓力進(jìn)行材料噴射的方法，為實(shí)現(xiàn)材料的精確微噴射，氣體壓力的控制精度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，劉豐采用高精度氣動(dòng)比例閥為控制核心實(shí)現(xiàn)了生物材料的氣體微輸送系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)如圖12所示，實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用的噴頭如圖13所示。此外，Envision Tech公司開發(fā)的3DBioplotterTM也采用氣動(dòng)噴射方式。

圖12 氣動(dòng)噴頭系統(tǒng)圖

圖13 劉豐設(shè)計(jì)的氣動(dòng)噴射噴頭

（3）  注射器擠出噴頭

注射器擠出噴頭是利用步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)注射器的注射桿，在注射桿作用下將材料擠出，利用電機(jī)的啟停即可控制材料噴射的啟停，如圖14所示。這種噴頭是一種簡(jiǎn)單可靠的材料噴射方法，在生物三維打印中也有廣泛的應(yīng)用，尤其是對(duì)于含有細(xì)胞的三維打印工藝，由于注射器無(wú)菌，即可省去滅菌這一步驟，簡(jiǎn)化了操作；此外，一次性注射器成本低，可以即用即換，無(wú)需清洗。

圖14 注射器擠出噴頭示意圖

小結(jié)

前面用了大量的篇幅交代了組織工程、生物制造和生物3D打印，事實(shí)上人體結(jié)構(gòu)之復(fù)雜遠(yuǎn)超目前制造手段之所及，文中也重點(diǎn)提到了人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜之處，生物3D打印比起傳統(tǒng)的諸多制造方法有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但總體來(lái)講，真正的生物3D打印產(chǎn)品要走進(jìn)臨床應(yīng)用仍然有很長(zhǎng)的一段路走。至于像心臟、肝臟、腎臟等復(fù)雜的人體器官，筆者并不認(rèn)為僅僅依靠3D打印技術(shù)就能夠解決人工器官制造的問題，生物3D打印技術(shù)未來(lái)任重而道遠(yuǎn)。

生物3D打印技術(shù)深入解讀之一http://m.lhkhtyz.com/thread-43724-1-1.html
生物3D打印技術(shù)深入解讀之二http://m.lhkhtyz.com/thread-43797-1-1.html
生物3D打印技術(shù)深入解讀之三http://m.lhkhtyz.com/thread-43870-1-1.html