Bioactive Materials：投影式光固化生物3D打印的可打印性

时间:2021-09-28 08:14 来源:EngineeringForLife 作者:admin 点击:次

近年来，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广泛的应用，尤其是在生物制造领域，该打印方法有望与挤出式生物打印平分秋色。但人们对于投影式光固化生物3D打印过程的理解仍很不清晰，阻碍了生物墨水的高质量打印。近期，EFL团队沿着墨水配制-参数优化-量化评价-打印规范化的工艺路线，系统探讨了PBP技术的可打印性，给出了5类常用的打印参数配置参考，方便同行的快速应用。相关工作“Printability during projection-based 3D bioprinting”近期发表在Bioactive Materials杂志上，浙大机械学院的喻康博士生为一作，邵逸夫医院的张新杰博士生为共一，通讯作者为浙大机械学院的贺永教授。

投影式光固化生物3D打印技术是一种材料导向型的增材制造技术，随着近年来水凝胶材料的改性修饰工艺日渐成熟，新型可光固化的水凝胶材料层出不穷。光固化水凝胶如何高效评价材料的可打印性? 如何快速调整打印参数?又如何量化评价成形过程中的各种误差？

为此，我们系统的开展了相关研究。作为生物应用的生物墨水材料首先需要满足的就是良好的生物性能（细胞相容性、细胞功能性、生物降解性等）。我们首先着眼于PBP的打印机理，分析在PBP打印过程中，水凝胶生物墨水需要满足哪些性质。从PBP打印过程3个关键步骤中，如图1B所示，我们可以知道与常规的挤出打印不同，PBP打印时生物墨水需要具有良好的光交联特性（交联速率快和交联强度高），以及良好的流动性（较低粘度，与挤出打印的需求相反）。

图1（A）PBP打印原理（B）PBP打印过程关键步骤

再次，为了有效提高水凝胶墨水的交联速率和交联强度，我们对生物墨水材料的交联过程进行分析，我们选取GelMA材料作为生物墨水，对自由基交联化学过程进行剖析（图2所示），并分析如何将打印机的调配参数和光交联化学过程的控制条件联系起来，以实现生物墨水的可控打印，从而调控生物墨水的交联速率和交联强度。同理，其他的生物墨水材料（自由基、阴离子、阳离子等交联体系材料）均可通过该思路建立交联过程与PBP参数的对应关系，实现生物墨水的可控打印。

区别于直接光固化交联，PBP是投影图案的光源在材料内的区域选择性固化（图3所示），该过程从打印精度控制的角度对生物墨水材料的光固化特性提出了更高的要求。

图2 GelMA生物墨水的光交联过程分析

图3 光固化生物墨水在图案化光源下的交联规律

如何控制光交联过程精度至关重要，随后我们着重对PBP的打印误差进行了分析和调控。根据PBP面成型的特点，我们将打印误差分为2D误差（层内误差）和3D误差（层间误差），并分别提出了相应的标准评价模型，对最终的打印结果进行量化评价，得出各个材料参数和打印参数对打印误差形成的影响，以及调控的可行性（图4、5所示）。

图4 2D误差原理分析以及各参数的影响

图5 3D误差原理分析以及各参数的影响

紧接着，我们在将参数调控和误差控制的方法应用到实际的结构打印过程中时，发现最终打印结果的好坏还与目标结构的三维形状有巨大的联系。作者根据投影截面的形状，结合目前最常见的生物医学应用场景需求，将常用生物制造结构分为5类，并对每一类的结构特征和打印难点进行分析，并给出了打印该结构的材料配制（生物墨水浓度、引发剂浓度等）、参数选择等给出了打印策略（图6所示），并应用该策略成功打印了各类结构，验证了这些打印策略的可行性（图7所示）。

图6 五类生物医学结构的打印策略

图7 应用该策略的打印结果示例

最后，作者结合应用导管结构（Conduit structure）和微柱结构（Microcolumn structure）的打印策略，成功打印了GelMA的多孔支架结构。并在支架上接种了GFP转染的内皮细胞，图8展示了内皮细胞在多孔支架上的生长状况。经过10天的培养，内皮细胞可以几乎爬满整个支架的外表面并呈现出很好的活性。这说明，经过PBP打印，GelMA墨水的生物特性依旧保持优异，而这样的多孔结构，可以大大增加结构的比表面积，促进支架内外的物质交换，该类结构对细胞扩增、软组织修复等都有巨大的应用潜力。除了内皮细胞以外，作者还验证了GelMA材料对肌腱干细胞（TSCs）和骨间充质干细胞（BMSCs）的细胞兼容性，进一步说明了PBP技术打印的多孔支架在干细胞扩增方面的应用潜力。

图8 PBP打印的GelMA多孔支架上接种的HUVECs状态

图9 肌腱干细胞（TSCs）和骨间充质干细胞（BMSCs）的生物学性能验证

参考文献

Kang Yu, Xinjie Zhang, Yuan Sun, Qing Gao,Jianzhong Fu, Xiujun Cai, Yong He, Printability during projection-based 3Dbioprinting, Bioactive Materials

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.09.021

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