如何開(kāi)展生物3D打印課題,？（案例篇-通用策略研究）

來(lái)源： EngineeringForLife

在生物3D打印相關(guān)研究中,，通用性高,、適用范圍廣的策略對(duì)于研究的開(kāi)展具有較高的指導(dǎo)意義,，其可在很大程度上縮短研究者的實(shí)驗(yàn)周期,，為科研人員節(jié)省大量時(shí)間與精力,。本期,，從生物3D打印課題的通用策略研究出發(fā)，針對(duì)投影式光固化和擠出式這兩種打印方法,，帶領(lǐng)大家深入了解相關(guān)內(nèi)容,。

案例1：投影式光固化生物3D打印通用策略研究

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31002-2

該研究提出了一種基于分子裂解的生物3D打印方法，通過(guò)將甲基丙烯酸透明質(zhì)酸（HAMA）與甲基丙烯酰明膠（GelMA）混合,，得到一種在打印時(shí)具有較高機(jī)械性能的生物墨水,，從而實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)成形，并在打印結(jié)束后選擇性地對(duì)結(jié)構(gòu)中的HAMA進(jìn)行酶解,，可使打印結(jié)構(gòu)變軟,，進(jìn)而使打印結(jié)構(gòu)與人體組織的機(jī)械性能相匹配，與此同時(shí)維持了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和保真度,，該策略可用于具有高生物相容性但機(jī)械強(qiáng)度欠佳的同類(lèi)型生物墨水研究,。

圖1 打印通用策略原理及廣泛的機(jī)械性能可調(diào)性

1、GelMA/HAMA混合生物墨水的可打印性研究
該研究通過(guò)對(duì)不同分子量,、濃度配比的GelMA/HAMA混合生物墨水進(jìn)行打印測(cè)試,，得到了不同材料條件下的可打印窗口。

圖2 GelMA/HAMA生物墨水的可打印性評(píng)估

2,、打印結(jié)構(gòu)HAMA酶解實(shí)驗(yàn)
依據(jù)可打印性研究得到的不同材料條件下的打印窗口,，可選擇合適配比的材料進(jìn)行不同組織結(jié)構(gòu)的打印，隨后對(duì)打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行HAMA酶解，可得到具有廣泛機(jī)械性能調(diào)控范圍的復(fù)雜軟組織模型結(jié)構(gòu),。通過(guò)對(duì)GelMA,、HAMA及透明質(zhì)酸酶的成分調(diào)控，可得到與大腦,、肝臟,、肺、心臟等組織相似機(jī)械強(qiáng)度的打印結(jié)構(gòu),。

圖3 打印結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度與HAMA酶解程度的關(guān)系

案例2：擠出式生物3D打印通用策略研究

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc5529

該研究通過(guò)向打印材料中添加明膠,，使其具備溫敏特性，從而制成互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水,，通過(guò)利用明膠溫敏性可逆的特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)打印過(guò)程中不同階段生物墨水的機(jī)械強(qiáng)度,，所制備的互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水可使擠出式生物3D打印過(guò)程中可打印性和生物相容性實(shí)現(xiàn)更好地兼容。此外,，該策略也適用于其他可溶于明膠的生物墨水,，這極大地?cái)U(kuò)展了該方法所適用的生物墨水范圍，使其在不同的生物材料體系和3D打印方案中具有廣泛的適用性,。

1,、互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水打印原理測(cè)試
該研究首先使用甲基丙烯酸透明質(zhì)酸(HAMA)作為代表性的生物墨水進(jìn)行了打印及流變學(xué)測(cè)試，并通過(guò)向HAMA中添加明膠得到HAMA+互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水,，從而改善了HAMA的可打印性,。打印全程經(jīng)歷了低溫?cái)D出成形、光照交聯(lián),、升溫孵化三個(gè)過(guò)程,，在保證了生物墨水中細(xì)胞地生物相容性的同時(shí)，維持了打印結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度,。

圖4 互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水的3D打印過(guò)程

2,、通用性驗(yàn)證
隨后，該研究嘗試將互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水的原理應(yīng)用于其他聚合物上,，包括基質(zhì)衍生蛋白,、基質(zhì)衍生糖胺聚糖及其他天然多糖。為此,，研究人員使用了12種可光交聯(lián)生物墨水進(jìn)行打印驗(yàn)證（HANB,、GelMA、GelAGE等）,，并對(duì)這些互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水的3D打印參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,；最終證實(shí)了明膠成分對(duì)生物墨水的可打印性起到了決定性作用，且該策略具有一定的通用性,。

圖5 互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水庫(kù)

3,、機(jī)械性能維持效果驗(yàn)證
最后,，研究人員對(duì)軟水凝膠中明膠成分對(duì)機(jī)械性能的影響進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)對(duì)比三種軟水凝膠互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水(HANB+,、GelMA+和GelAGE+)和其無(wú)明膠成分生物墨水打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能,，最終得知明膠的加入對(duì)印刷結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期機(jī)械性能影響很小。

圖6 3D打印軟水凝膠結(jié)構(gòu)

結(jié)語(yǔ)
本文用兩個(gè)案例分別介紹了基于投影式光固化和擠出式的兩種生物3D打印方法通用策略的相關(guān)研究,。其都是通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì),，首先滿(mǎn)足打印過(guò)程中對(duì)于材料機(jī)械性能的需要，隨后依據(jù)應(yīng)用需求對(duì)打印出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后處理,，得到合適的打印結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度,。兩個(gè)案例中的方法都可用于不同材料體系中，具有很強(qiáng)的通用性,。