浙江大學(xué)：投影式光固化生物3D打印的可打印性

近年來,，投影式光固化生物3D打印（PBP）由于打印的高精度和高效率受到了廣泛的應(yīng)用,，尤其是在生物制造領(lǐng)域,，該打印方法有望與擠出式生物打印平分秋色。但人們對于投影式光固化生物3D打印過程的理解仍很不清晰,，阻礙了生物墨水的高質(zhì)量打印,。近期，EFL團(tuán)隊(duì)沿著墨水配制-參數(shù)優(yōu)化-量化評價(jià)-打印規(guī)范化的工藝路線，系統(tǒng)探討了PBP技術(shù)的可打印性,，給出了5類常用的打印參數(shù)配置參考,，方便同行的快速應(yīng)用。相關(guān)工作“Printability during projection-based 3D bioprinting”近期發(fā)表在Bioactive Materials雜志上,，浙大機(jī)械學(xué)院的喻康博士生為一作,，邵逸夫醫(yī)院的張新杰博士生為共一，通訊作者為浙大機(jī)械學(xué)院的賀永教授,。

投影式光固化生物3D打印技術(shù)是一種材料導(dǎo)向型的增材制造技術(shù),，隨著近年來水凝膠材料的改性修飾工藝日漸成熟，新型可光固化的水凝膠材料層出不窮,。光固化水凝膠如何高效評價(jià)材料的可打印性? 如何快速調(diào)整打印參數(shù)?又如何量化評價(jià)成形過程中的各種誤差,？

為此，我們系統(tǒng)的開展了相關(guān)研究,。作為生物應(yīng)用的生物墨水材料首先需要滿足的就是良好的生物性能（細(xì)胞相容性、細(xì)胞功能性,、生物降解性等）,。我們首先著眼于PBP的打印機(jī)理，分析在PBP打印過程中,，水凝膠生物墨水需要滿足哪些性質(zhì),。從PBP打印過程3個(gè)關(guān)鍵步驟中，如圖1B所示,，我們可以知道與常規(guī)的擠出打印不同,，PBP打印時(shí)生物墨水需要具有良好的光交聯(lián)特性（交聯(lián)速率快和交聯(lián)強(qiáng)度高），以及良好的流動性（較低粘度,，與擠出打印的需求相反）,。

圖1（A）PBP打印原理（B）PBP打印過程關(guān)鍵步驟

再次，為了有效提高水凝膠墨水的交聯(lián)速率和交聯(lián)強(qiáng)度,，我們對生物墨水材料的交聯(lián)過程進(jìn)行分析,，我們選取GelMA材料作為生物墨水，對自由基交聯(lián)化學(xué)過程進(jìn)行剖析（圖2所示）,，并分析如何將打印機(jī)的調(diào)配參數(shù)和光交聯(lián)化學(xué)過程的控制條件聯(lián)系起來,，以實(shí)現(xiàn)生物墨水的可控打印，從而調(diào)控生物墨水的交聯(lián)速率和交聯(lián)強(qiáng)度,。同理,，其他的生物墨水材料（自由基、陰離子,、陽離子等交聯(lián)體系材料）均可通過該思路建立交聯(lián)過程與PBP參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,，實(shí)現(xiàn)生物墨水的可控打印。

區(qū)別于直接光固化交聯(lián)，PBP是投影圖案的光源在材料內(nèi)的區(qū)域選擇性固化（圖3所示）,，該過程從打印精度控制的角度對生物墨水材料的光固化特性提出了更高的要求,。

圖2 GelMA生物墨水的光交聯(lián)過程分析

圖3 光固化生物墨水在圖案化光源下的交聯(lián)規(guī)律

如何控制光交聯(lián)過程精度至關(guān)重要，隨后我們著重對PBP的打印誤差進(jìn)行了分析和調(diào)控,。根據(jù)PBP面成型的特點(diǎn),，我們將打印誤差分為2D誤差（層內(nèi)誤差）和3D誤差（層間誤差），并分別提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)模型,，對最終的打印結(jié)果進(jìn)行量化評價(jià),，得出各個(gè)材料參數(shù)和打印參數(shù)對打印誤差形成的影響，以及調(diào)控的可行性（圖4,、5所示）,。

圖4 2D誤差原理分析以及各參數(shù)的影響

圖5 3D誤差原理分析以及各參數(shù)的影響

緊接著，我們在將參數(shù)調(diào)控和誤差控制的方法應(yīng)用到實(shí)際的結(jié)構(gòu)打印過程中時(shí),，發(fā)現(xiàn)最終打印結(jié)果的好壞還與目標(biāo)結(jié)構(gòu)的三維形狀有巨大的聯(lián)系,。作者根據(jù)投影截面的形狀，結(jié)合目前最常見的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用場景需求,，將常用生物制造結(jié)構(gòu)分為5類,，并對每一類的結(jié)構(gòu)特征和打印難點(diǎn)進(jìn)行分析，并給出了打印該結(jié)構(gòu)的材料配制（生物墨水濃度,、引發(fā)劑濃度等）,、參數(shù)選擇等給出了打印策略（圖6所示），并應(yīng)用該策略成功打印了各類結(jié)構(gòu),，驗(yàn)證了這些打印策略的可行性（圖7所示）,。

圖6 五類生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的打印策略

圖7 應(yīng)用該策略的打印結(jié)果示例

最后，作者結(jié)合應(yīng)用導(dǎo)管結(jié)構(gòu)（Conduit structure）和微柱結(jié)構(gòu)（Microcolumn structure）的打印策略,，成功打印了GelMA的多孔支架結(jié)構(gòu),。并在支架上接種了GFP轉(zhuǎn)染的內(nèi)皮細(xì)胞，圖8展示了內(nèi)皮細(xì)胞在多孔支架上的生長狀況,。經(jīng)過10天的培養(yǎng),，內(nèi)皮細(xì)胞可以幾乎爬滿整個(gè)支架的外表面并呈現(xiàn)出很好的活性。這說明,，經(jīng)過PBP打印,，GelMA墨水的生物特性依舊保持優(yōu)異，而這樣的多孔結(jié)構(gòu),，可以大大增加結(jié)構(gòu)的比表面積,，促進(jìn)支架內(nèi)外的物質(zhì)交換，該類結(jié)構(gòu)對細(xì)胞擴(kuò)增,、軟組織修復(fù)等都有巨大的應(yīng)用潛力,。除了內(nèi)皮細(xì)胞以外,，作者還驗(yàn)證了GelMA材料對肌腱干細(xì)胞（TSCs）和骨間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的細(xì)胞兼容性，進(jìn)一步說明了PBP技術(shù)打印的多孔支架在干細(xì)胞擴(kuò)增方面的應(yīng)用潛力,。

圖8 PBP打印的GelMA多孔支架上接種的HUVECs狀態(tài)

圖9 肌腱干細(xì)胞（TSCs）和骨間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的生物學(xué)性能驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

Kang Yu, Xinjie Zhang, Yuan Sun, Qing Gao, Jianzhong Fu, Xiujun Cai, Yong He, Printability during projection-based 3D bioprinting, Bioactive Materials
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.09.021