高分辨率投影式生物3D打印

來源： EngineeringForLife

投影式3D打印（PBP）的核心在于利用空間光調制器生成動態(tài)掩模，并將光學圖案投影至光敏材料表面，實現(xiàn)選擇性地精準固化。該技術在所有3D打印技術中具有最高的分辨率/制造時間比（RTM）。然而，在使用生物墨水作為打印材料的投影式生物3D打印（PBBP）中，打印分辨率卻不盡如人意，實際的打印分辨率與理論分辨率之間存在顯著差距。這主要因為活細胞的引入使得傳統(tǒng)制造策略不再適用，對生物相容性的嚴格要求大大限制了打印分辨率。

EFL團隊致力于生物3D打印研究十余年，為全球5000多個實驗室提供生物3D打印系統(tǒng)解決方案，涵蓋光固化生物墨水和投影式生物3D打印機。在與眾多同行科學家交流的過程中，我們發(fā)現(xiàn)背景知識的差異導致了對許多基本概念的誤解和混淆。例如：“光學分辨率”被誤認為是“打印分辨率”；許多聲稱“高分辨率生物打印”的研究工作卻展現(xiàn)出幾個數(shù)量級的差異；“生物墨水（Bioinks）”的打印分辨率被混同于“生物材料墨水（Biomaterial inks）”的打印分辨率，諸如此類。

由于缺乏公認的分辨率定義，在描述新方法時常會出現(xiàn)混亂，無疑阻礙了該領域的發(fā)展。因此，我們認為有必要澄清高分辨率PBBP的一些基本概念，以幫助來自不同背景的科學家深入理解其核心邏輯。為此，我們系統(tǒng)總結了實現(xiàn)高分辨率PBBP的必要步驟和挑戰(zhàn)，并為每個技術環(huán)節(jié)梳理了可行的優(yōu)化策略。同時，我們也分享了一些對未來發(fā)展趨勢的看法。我們希望為科研人員提供核心知識支撐，共同推動PBBP技術在組織工程與再生醫(yī)學領域的迅速發(fā)展。相關工作“High-resolution projection-based 3D bioprinting”發(fā)表于《Nature Reviews Bioengineering》。浙江大學機械工程學院博士生何超凡為第一作者，賀永教授為通訊作者。   

投影式生物3D打印的“分辨率”：市面上的投影式3D打印機均會標注一個標稱分辨率數(shù)值（通常為2-50 μm）。此分辨率通常指的是光學分辨率，即理論上可達到的最高分辨率，定義為“投影圖案中單個像素點的尺寸”，具體由DMD微鏡的尺寸與投影鏡頭的放大倍率共同決定。然而，在實際應用中，我們更為關注的是打印結構的實際分辨率，即打印分辨率，定義為“打印結構中可區(qū)分的最小尺寸”。它不僅受打印機光學分辨率的影響，還受到打印材料光響應特性的制約。因此，即便是同一臺打印機，其打印分辨率也可能存在較大差異。光學分辨率具有明確的定義和測試方法，而“可辨識的”最小尺寸則是一個相對模糊的概念。因此，測試打印分辨率的方法也不盡相同。總體而言可分為四類：正分辨率（RP）、負分辨率（RN）、水平分辨率（RXY）以及垂直分辨率（RZ）。盡管它們都被統(tǒng)稱為“打印分辨率”，但實際上各自具有不同的含義和適用場景。

圖1 投影式3D打印的分辨率

“高分辨率”生物3D打印：高分辨率是一個相對且動態(tài)的概念，它會隨著技術的不斷進步而發(fā)生變化。然而，確立一個客觀的物理指標作為衡量標準是非常必要的。在生物3D打印領域，可以通過分析理論上可達到的最高打印分辨率，并在此基礎上進行適當放寬（通常是理論極限的五到十倍），從而設定一個高分辨率的標準。考慮到準確且合理的定義對于避免歧義、確保研究的準確性和可重復性至關重要。這里我們定義：對于使用含有活細胞的生物墨水，打印分辨率達到50 μm被定義為高分辨率打印。而對于生物材料墨水（即打印材料作為后續(xù)細胞接種的支架），打印分辨率達到10 μm被定義為高分辨率打印。這也與當前許多研究保持一致。   

高分辨率投影式生物3D打印策略：

使用樹脂的傳統(tǒng)PBP的打印分辨率與光學分辨率可以非常接近（打印分辨率可達光學分辨率的2-3倍），然而使用生物墨水/生物材料墨水的PBBP的打印分辨率卻遠低于理論值（打印分辨率通常為十幾倍的光學分辨率）。因此，生物3D打印需要進行全面的系統(tǒng)優(yōu)化，而非僅僅局限于對某一單個步驟的改進。為了推動高分辨率PBBP技術的發(fā)展，我們總結了實現(xiàn)這一目標所需的三大關鍵步驟，并通過構建優(yōu)化路線圖，為打印分辨率的提升提供全面指導。

構建精準光場
在PBP技術中，提高打印分辨率的一個核心在于構建可控的投影光場。這一過程的實現(xiàn)首先依賴于打印軟件，將設計的3D模型精確地切割成一系列二維圖像。隨后，這些圖像通過一個復雜的光學系統(tǒng)進行投影。該系統(tǒng)通常由光源、均勻透鏡組、數(shù)字微鏡設備（DMD）以及投影透鏡組成。光源發(fā)出的光線首先經(jīng)過均勻透鏡組，然后照射到DMD上。DMD中的每個微鏡根據(jù)預設的切片圖像反射光線，經(jīng)過投影透鏡的縮放作用后，最終形成投影光場。值得注意的是，這一系列步驟中的每一個環(huán)節(jié)都會對光學分辨率產生直接影響。無論是PBBP還是PBP，其打印分辨率的上限都受到光學分辨率的制約。  

圖2 構建精準光場

墨水精確響應

提高打印分辨率的第二步是確保生物墨水能夠準確地響應光場。為此，在保持生物墨水生物性能的同時，改善其光響應特性顯得尤為重要。理想的生物墨水應具備高的光交聯(lián)速率、適當?shù)慕宦?lián)密度以及良好的流動性。同時，為了確保生物相容性，生物墨水中的化學添加劑應盡可能少。因此，在生物（材料）墨水通常僅包含生物相容性材料、光引發(fā)劑、光吸收劑、生物活性成分以及可能的細胞組分。   

圖3 墨水精準響應

維持力學平衡

實現(xiàn)高分辨率PBBP的最后一步在于保持打印過程中的力學平衡。這一步驟至關重要，因為生物墨水通常為超軟材料（楊氏模量低于103 Pa）。由于生物墨水與傳統(tǒng)材料之間存在顯著的力學性能差異，因此，在打印過程中需要謹慎操作以保持機械平衡，否則很容易導致打印結構的斷裂和變形，這是PBBP所獨有的挑戰(zhàn)。   

圖4 維持力學平衡

賀永教授團隊從事生物制造研究工作數(shù)十年，研究工作涵蓋墨水成形理論、打印工藝、打印設備以及應用。近兩年的代表性工作包括：
（1）揭示了光固化生物墨水的成形機理，定義了包括平均反應步數(shù)等生物墨水成形狀態(tài)的四項精確評價指標（Advanced Functional Materials, 2023）,制定了光固化生物墨水GelMA的命名規(guī)范及標準（Advanced Healthcare Materials，2023），給出了高精度光固化生物打印所需遵循的準則（Nature Review Bioengineering, 2024）。與李文妍教授團隊合作揭示了可控機械應力驅動細胞行為、誘導聽覺神經(jīng)中的感覺上皮形成機制（Science Advances, 2023）。

（2）提出了基于“生物混凝土”概念的原位3D打印方法，能夠在災難現(xiàn)場、戰(zhàn)場等極端環(huán)境下實現(xiàn)快速打印及創(chuàng)傷修復（Nature Communications，2022）；面向微創(chuàng)手術下如何有效再生，提出了可收縮支架微創(chuàng)植入新方法，為軟組織修復提供了新的解決方案（Nature Communications，2024），通過仿藍環(huán)章魚結構設計新型微針，實現(xiàn)了潮濕環(huán)境下藥物的有效控釋（Science Advances, 2023）。提出3D打印自吸附干細胞支架方法，開發(fā)了細胞治療的高效載體工具（Advanced Science，2023）。

（3）在器官體外再造研究中，與陳昶教授團隊合作實現(xiàn)了長段活性氣管重建，證明了工程化制造的器官能夠移植并長期存活（Science Translational Medicine，2023）。

文章來源：
https://www.nature.com/articles/s44222-024-00218-w