湖大團隊提出新型光散射抑制機制，助力高保真光固化生物3D打印

來源：DeepTech深科技

光固化 3D 打印技術(shù)是一種利用光照射來固化材料的 3D 打印方法,。它使用特殊的光敏材料作為打印原料，通過光的照射將液態(tài)材料固化成固體,，可以實現(xiàn)高精度和復雜幾何結(jié)構(gòu)的打印,。

光固化 3D 打印技術(shù)也能用于打印生物墨水（含有細胞的打印原材料），它可以用來建造復雜的活性幾何結(jié)構(gòu),，在組織工程,、藥物緩釋、植入物等生物醫(yī)學研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。

然而,，湖南大學教授韓曉筱課題組發(fā)現(xiàn)，在光照過程中由于折射率的不同,，光在液體和固體的交界處,、以及細胞和水凝膠界面處，會發(fā)生嚴重的物理散射現(xiàn)象,。這導致不需要打印的區(qū)域的生物墨水也會被固化,，這會降低打印的精度。因此很難使用這種方法打印一些仿生結(jié)構(gòu),。

圖 | 韓曉筱（來源：韓曉筱）

在近期一項研究中,，該團隊提出一種用于抑制上述散射問題的方法，并制備出相應(yīng)的添加物——姜黃鈉（Cur-Na）,。此方法從兩個方面對散射進行了抑制：

一方面是物理方法,，即吸收多余的散射光，降低光穿透深度,，使非打印區(qū)域散射光減少。

另一方面是化學方法,，由于姜黃鈉可以跟生物墨水中由光照產(chǎn)生的自由基進行化學反應(yīng),，并且反應(yīng)速率比水凝膠的交聯(lián)反應(yīng)更高。這樣就能降低水凝膠在非目標區(qū)域的聚合反應(yīng)速率,。

另外姜黃鈉的反應(yīng)產(chǎn)物為液體,，在打印完成之后能被直接沖洗掉，這樣就從兩個方面抑制了非目標區(qū)域的固化,，提高了打印精度,。

通過以上方法，他們成功打印了多種復雜的具有細胞功能的結(jié)構(gòu),，比如血管支架,、脊髓支架、極小三周期曲面等,；并證明通過這種方法制造出來的復雜結(jié)構(gòu)具有很好的生物相容性,，展示了其在器官打印,、組織工程中的應(yīng)用潛力。

之前,，學界并未太多關(guān)注載細胞支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，原因有如下幾點：

其一，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是工程領(lǐng)域比較常用的方法,，但是在生物領(lǐng)域運用得比較少,。而該課題組發(fā)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，對于生物性能的影響其實非常大,。

其二,，優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)較為復雜，很難被制造出來,。而本次成果解決了制造工藝的問題,，因此可以將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制備出來，這能給今后植入支架的應(yīng)用打下基礎(chǔ),。

目前,，課題組已經(jīng)聯(lián)手相關(guān)醫(yī)院進行后續(xù)的應(yīng)用研究，主要來說就是進行仿生支架的全周期定制,，從細胞生長的模擬,、支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化、到生物墨水的配置,、復雜結(jié)構(gòu)的制造,、再到動物實驗驗證支架的生物學功能。

據(jù)介紹,，該團隊已經(jīng)進行到動物實驗,。初步結(jié)果表明，優(yōu)化后的載細胞支架在血管生成,、細胞生長和藥物釋放上,，相比傳統(tǒng)支架有著較大優(yōu)勢，未來有望用于載細胞植入支架和類器官等,。

（來源：Nature Communications）

韓曉筱說：“我們橫向比較了其他科研團隊的文獻,，發(fā)現(xiàn)我們的方法對于打印光固化生物打印的精度有著較大的提高，對這一領(lǐng)域也有比較重要的潛在貢獻,，于是我們決定將論文投稿到 Nature Communications,。”在研究過程中,，韓曉筱也看到了文章一作博士生賀寧在研究中的成長,。作為一名機械專業(yè)的學生，賀寧面臨著突破自身領(lǐng)域限制的挑戰(zhàn),。他意識到,，光固化過程中的物理缺陷問題,，只有跨越化學和材料科學領(lǐng)域才能得到解決�,！氨M管這對他來說是一個巨大的挑戰(zhàn),，但是他并沒有退縮，而是決心克服困難,，并與生物學專家和細胞實驗團隊完成了本次研究,。”韓曉筱說,。

最終,，相關(guān)論文以《Photoinhibition via simultaneously photoabsorption and free-radical reaction for high-fidelity light-based bioprinting》為題發(fā)在 Nature Communications[1]上。湖南大學博士研究生賀寧為第一作者,，湖南大學機械與運載工程學院韓曉筱教授和陳鋒副教授為通訊作者,。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

接下來，他們將進一步優(yōu)化打印性能,，也會繼續(xù)發(fā)掘更多材料,，并將它們用于光固化的散射抑制的應(yīng)用中。另外,，課題組也將尋求不同領(lǐng)域的合作,，致力于拓展仿生復雜載細胞生物支架的應(yīng)用領(lǐng)域。同時,，也將探索新的研究方向,。散射問題不止存在于光固化生物打印中，在光固化陶瓷,、玻璃等打印領(lǐng)域也是一個很重要的共性問題,，因此他們將聯(lián)合其他團隊開展一些探索。

“要想推動本次成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化,，我們還在積極尋求與相關(guān)產(chǎn)業(yè)或機構(gòu)開展合作,，從而加速這一系列研究的進展，將成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用或產(chǎn)品,。”

另據(jù)悉,，此前韓曉筱在英國讀完了碩士和博士后,，并曾在英國高校擔任講師職位。她說：“我總共在英國待了 13 年,。在英國期間,，我組建了一個研究團隊，并擔任了獨立 PI 的角色,�,！�

擔任獨立 PI 三年之后,，她與湖南大學建立聯(lián)系并回到中國。其表示：“我之所以做出這個決定,，是因為我的研究方向非常交叉,，涉及生物學、機械工程,、醫(yī)學和材料化學等多個領(lǐng)域,。在國外，我發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)一些科研想法相對困難,。而湖南大學為我提供了一個更高的平臺,。”

比如,，這篇論文中的所有作者都來自湖南,，包括來自湖南大學生物學院和材料學院、以及來自湖南農(nóng)大的老師等,�,！拔艺J為這個科研環(huán)境為我們的交叉研究提供了很好的支持，選擇回到湖南大學對于我的科研方向是一個正確而明智的決定,�,！表n曉筱說。