Research：多材料投影式生物3D打印

來源：EngineeringForLife

準確重建自然生物組織的復雜結(jié)構(gòu)是生物3D打印的長期目標。投影式3D打�,。≒BP）在所有3D打印技術(shù)中具有更好的分辨率/制造時間（RTM）比,，被認為是下一代生物打印的主流方案之一。盡管如此,，使用具有不同力學性能的生物墨水進行標準化,、高保真度和高分辨率的打印仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。這種局限性源于缺乏系統(tǒng)性的研究和成熟的打印設(shè)備,。關(guān)于多材料生物3D打�,。≒BBP）的許多關(guān)鍵問題尚未得到解答。例如：多材料生物墨水的聚合特性有何不同,？哪些材料組合適合多材料打�,。咳绾伪苊饨徊嫖廴�,？如何評估打印分辨率,？打印系統(tǒng)應(yīng)該如何架構(gòu)？

為系統(tǒng)回答這些問題,，EFL團隊在《Research》期刊上發(fā)表了題為“Printability in multi-material Projection-based 3D Bioprinting”的研究論文,，浙江大學楊華勇院士、賀永教授為共同通訊作者,，博士生何超凡為第一作者,。

本文首先總結(jié)了多材料PBBP的基本框架。該框架涵蓋打印設(shè)備,、材料要求,、墨水切換、聚合特性,、交叉污染,、分辨率評估等六個關(guān)鍵方面。在此基礎(chǔ)上,，設(shè)計并發(fā)明了基于料槽切換式的多材料打印裝備,，可支持六種材料同步打印，提出了流體控制沖洗-負壓輔助毛細吸附的協(xié)同清潔方法,，集成了專用的生物打印操作系統(tǒng),、力學監(jiān)控系統(tǒng)、可視化模塊,、激光校準裝置和柔性剝離機構(gòu),，以確保打印設(shè)備的穩(wěn)定性和可操作性。   

圖1 多材料投影式生物3D打印基本框架與標準流程

多材料墨水的聚合特性
水凝膠因其高含水量,、優(yōu)異的生物相容性以及可降解性,，在生物墨水領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。然而，水凝膠分子的自然擴散特性導致不同墨水之間容易發(fā)生交叉污染,，這對構(gòu)建具有復雜界面的生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn),。目前，對于多材料生物墨水的光聚合行為,，尤其是界面處的光聚合動力學和機理,，尚缺乏深入的理解。本研究系統(tǒng)地探究了多材料生物墨水的光聚合行為與特性,。實驗結(jié)果顯示,，與單組分水凝膠相比，多組分水凝膠的凝膠點時間明顯提前,，即表現(xiàn)出聚合加速行為,。但這一現(xiàn)象并非源于雙鍵轉(zhuǎn)化率的絕對值或增長速率的提升。通過對平均交聯(lián)步數(shù)的測試發(fā)現(xiàn),，在固化前期,，多組分墨水的單體分子發(fā)生了更多的鏈增長反應(yīng)。這表明不同光敏基團之間存在協(xié)同作用,，有利于鏈式反應(yīng)的快速發(fā)生,。水凝膠的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進一步證實了混合墨水發(fā)生了更高頻率的鏈增長反應(yīng)，不同單體的相互嵌套促進了三維聚合網(wǎng)絡(luò)的形成,。   

圖2 多材料生物墨水的聚合特性

多材料PBBP可打印標準
人體組織往往具有軟硬結(jié)合的特性,，例如骨骼和軟骨、皮膚和肌肉等,。為了更真實地模擬組織微環(huán)境,，多材料生物3D打印往往會使用具有不同力學特性的水凝膠來模擬不同的組織。然而,，力學強度差異過大的水凝膠可能會面臨力學失配與界面結(jié)合強度不足的問題（圖4.6）,。因此，探究軟硬復合水凝膠的界面結(jié)合強度規(guī)律,，并判斷材料組合是否適合于多材料3D打印對于優(yōu)化打印工藝非常重要。本文提出了基于斷裂能的界面結(jié)合強度判斷標準,，并作為可打印判據(jù),。探究了界面結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域（TR）和面積比（AR）對可打印窗口的影響規(guī)律。   

圖3 多材料PBBP的可打印標準

多材料PBBP的交叉污染
多材料PBBP的交叉污染可以分為滲透污染和殘留污染兩類,。滲透污染是指固化后的水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)易于被其他材料滲透,。這是幾乎不可避免的。因此,，為了探究粘性生物墨水在水凝膠聚合網(wǎng)絡(luò)中的滲透規(guī)律,，建立了粘性生物墨水滲透測試標準方案,，并研究了水凝膠分子量和滲透物質(zhì)分子量對滲透率的影響。殘留污染則是指在墨水切換過程中,，殘留在打印結(jié)構(gòu)表面的其他墨水會污染后續(xù)裝載在不同料槽中的墨水,，導致墨水性能變化�,？赏ㄟ^適當?shù)那逑闯绦蛴行П苊�,。本文詳細測試并優(yōu)化了流體沖洗和負壓輔助毛細吸附的工藝參數(shù)，有效避免了交叉污染,。

圖4 多材料PBBP的交叉污染

多材料PBBP的打印分辨率
打印分辨率是評估3D打印技術(shù)制造能力的關(guān)鍵指標,。然而，現(xiàn)有的打印分辨率研究主要集中于傳統(tǒng)單材料打印,，對于多材料PBBP打印的分辨率誤差來源和評估標準尚缺乏系統(tǒng)研究,。這是因為多材料打印引入了多種具有不同特性的材料，使得打印過程更加復雜,，導致影響因素之間相互耦合,，難以準確分析分辨率誤差的來源和制定有效的評估標準。在多材料PBBP中,，打印誤差來源主要有以下三類：A類分辨率劣化：光固化不足或過度固化導致的尺寸偏差,；B類分辨率劣化：層內(nèi)多材料打印的相互影響；C類分辨率劣化：墨水交叉污染導致的分辨率下降,。本文構(gòu)建了交替輻條結(jié)構(gòu)的多材料打印分辨率標準測試模型對打印分辨率進行系統(tǒng)測試與分析,。   

圖5 多材料PBBP的打印分辨率

多材料打印效果
為驗證層間和層內(nèi)多材料打印打印質(zhì)量，成功制備了具有不同編織,、嵌套和懸垂特征的晶格結(jié)構(gòu),，打印結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出清晰的材料界面、高結(jié)構(gòu)保真度和理想的力學性能,。此外,，還設(shè)計并打印了仿生氣管模型和肝小葉模型，該模型由兩種細胞負載生物墨水（RFP-hCMEC和GFP-PAN02）構(gòu)成（圖6A）,，打印結(jié)構(gòu)中細胞界面清晰,，結(jié)構(gòu)保真度良好。  

圖6 多材料打印設(shè)備

參考資料：
https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0613