基于投影的3D生物打印過程中光固化強度可調(diào)水凝膠生物墨水的可打印性研究

供稿人：賀佩、賀健康
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

3D打印，也稱為增材制造，因其具備個性化制造復雜模型的能力成為一種適合再生醫(yī)學的方法。近年來已報道了許多利用3D打印技術進行組織工程支架打印案例，表明其在制造人工器官/組織方面具有強大潛力。數(shù)字光處理（DLP）是另一種高分辨率印刷方法，開發(fā)可光固化、具有生物相容性且具備適宜的機械性能的材料對利用DLP技術構建人工器官/組織具有重要意義。明膠甲基丙烯酰基（GelMA）是一種由天然聚合物改性的可光固化水凝膠，具有最廣泛的細胞相容性，是平衡生物相容性和可印刷性的3D生物打印的理想材料，但其交聯(lián)過程復雜，難以確定反應的程度，且其機械性能較差，難以滿足打印需求。

浙江省3D打印工藝與設備重點實驗室的Yuan Sun等提出了一種雙鍵修飾的生物大分子的光交聯(lián)理論，將明膠、透明質(zhì)酸和殼聚糖等生物大分子通過取代反應獲得雙鍵基團，從而獲得交聯(lián)能力。研究建立了由投影模塊、機械模塊和輔助模塊組成的生物打印裝置，以產(chǎn)生復雜的GelMA水凝膠模型。開發(fā)的數(shù)字光處理生物印刷(DLPBP)方法可概括為以下步驟。計算機將目標3D數(shù)字模型切片成多個薄層。透明底部的墨盒中裝滿了GelMA墨水。打印開始時，打印平臺落入墨盒，底部有一層厚度的間隙。然后，投影儀將第一個切片的圖案發(fā)送到平臺上。圖案內(nèi)的GelMA油墨很快就會交聯(lián)，形成固體水凝膠結構。隨著第一層的完成，平臺上升，為GelMA油墨留下一個新的缺口。然后，下一層的圖案被投影以形成新的層。重復此過程，以這種方式逐層打印模型。

圖1 具有卓越的生物相容性和可控的物理特性的復雜的高精度DLP打印模型

結果表明，將支架與骨髓間充質(zhì)干細胞陪養(yǎng)3d后，>90%的=細胞存活并擴散良好。使用優(yōu)化的工藝參數(shù)打印了高精度厘米級的手形GelMA支架，下面將詳細介紹(圖1(Bi))。接種在支架上的細胞快速而均勻地附著。通過調(diào)整印刷工藝參數(shù)，可以獲得很大范圍的機械強度(10-103kPa)。該范圍涵蓋大多數(shù)軟組織，包括角膜、肝、腦、心、腎、肺、動脈和皮膚。

綜上，研究提出了一種使用光固化性軟水凝膠油墨制造形狀復雜，精度高且機械性能可控的組織和器官的個性化定制水凝膠結構生物印刷方法，提出了一種評價光交聯(lián)印刷技術的方法理論和模型。 根據(jù)理論和實驗總結了機械參數(shù)圖，從而實現(xiàn)了對機械性能的廣泛控制，驗證了開發(fā)的光固化墨水對HUVECs生物相容性，但還未對不同細胞影響進行研究。后續(xù)研究可以聚焦于細胞行為與打印方法參數(shù)之間的關系，建立了多細胞DLPBP方法，實現(xiàn)機械性能調(diào)節(jié)。

參考文獻：
Sun, Y., Yu, K., Nie, J., Sun, M., Fu, J., Wang, H., He, Y., 2021. Modeling the printability of photocuring and strength adjustable hydrogel bioink during projection-based 3D bioprinting. Biofabrication 13, 035032.. doi:10.1088/1758-5090/aba413