生物3D打印进展综述：从打印方法到生物医学应用(2)
时间:2023-12-25 08:56 来源:EFL生物3D打印与生物制造 作者:admin 点击:次
光固化式生物打印可根据光扫描的方式不同分为立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）等。目前SLA技术在支架打印中应用较多，但在载细胞打印的应用并不多见。而DLP技术因其有着打印精度高、速度快、均一性好等优点越来越受到学术界的关注（图6）。  图6 DLP打印原理 我们详细描绘了不同生物打印方法在生物医学领域的应用，包括在皮肤、骨/软骨、神经、肌肉/肌腱、脂肪、脊髓、血管/血管化、类器官、药物研究/肿瘤模型、临床应用等方面的研究现状，也总结概述了市场上知名的商业化生物打印设备，同时还对目前较为火热的多材料生物打印（图7）和同轴生物打印（图8）进行了细致的阐述。  图7 多材料生物打印的应用  图8 同轴生物打印的应用 各种生物打印方法被发明出来用以针对不同的应用场景，相应地，每种生物打印方法也有着各自的优缺点。 挤出式生物打印是目前应用最为广泛的生物打印方法，其最大的优势在于可打印的生物相容材料范围广泛（包括细胞团、载细胞水凝胶、微载体、脱细胞基质成分等），涵盖了粘度范围从30mPa/s 到6×10^7mPa/s的生物材料，尤其是具有剪切变稀、快速交联特性的水凝胶材料。这意味着能为维持细胞活力和功能化提供合适微环境的低粘度材料，与能为打印结构提供力学支持的高粘度材料都能与挤出式生物打印很好地结合。同时，挤出式生物打印也有着良好的经济性和易用性等优点，与多材料、同轴生物打印可紧密结合。但挤出式生物打印也有着一些缺陷：首先，其打印精度相对其他生物打印方式较低，一般在100μm量级；其次，生物墨水的选择需要兼顾凝胶化、固化、剪切变稀等性质；此外，由于挤出过程中不可避免的剪切力可能会影响细胞存活率，这在打印细胞密度较高的生物墨水时更为明显。 喷墨式生物打印有着成本低、精度高、速度快等优点，也可针对性地配备多个喷嘴，以满足在同一时间打印不同的细胞、生物材料或生长因子的需求。然而，用于喷墨打印的生物墨水粘度要求限制了其适用生物材料的范围；由于驱动压力小，喷墨生物打印无法打印高粘度材料或高浓度细胞，用喷墨技术实现生理细胞密度的生物打印是目前比较困难的，而低粘度材料会降低打印成型的结构强度，导致不满足后续体外培养和移植的要求；此外，喷墨打印过程中可能会对细胞造成机械或热损伤，喷头也易损耗，这些缺点限制了喷墨生物打印技术的广泛应用。 激光辅助式生物打印相较于前两者有着一个先天优势：其无喷嘴的打印模式就避免了细胞/生物材料堵塞喷嘴的问题；同时这也避免了生物墨水与器件的直接接触，这种非接触式制造方法不会对细胞造成机械损伤。其打印高粘度生物墨水的生物材料选择范围比喷墨打印更广，打印精度甚至能达到生成含单个细胞的液滴。但激光辅助生物打印有几个明显的缺点：首先，成本相对较高，且缺乏商业化的打印设备，而适合激光生物打印的水凝胶材料并不多；其次，该方法自动化程度不高，如LIFT原理所述，每层墨水靠一次次涂层上去，不仅均一性得不到保证，且费时费力，导致其很难应用于复杂结构打印。 DLP是一种基于面投影的生物3D打印方法，相比应用广泛的挤出式打印有着更高的打印分辨率和可重复性。根据DLP的成型原理，它在打印速度上有很大的优势，因为无论结构多么复杂，每一层的打印时间都不会增加。此外，与喷墨生物打印中液滴之间、或挤出式打印的相邻纤维之间形成的“边界”相比，DLP技术可以更平滑地堆叠三维结构，从而大大提高了结构的完整性和力学性能。在光固化打印工艺中，未固化的液态生物墨水可以为打印结构提供良好的支撑，避免打印过程中水凝胶的坍塌变形；与LAB相同，无喷嘴的打印模式使得喷嘴堵塞、剪切力影响细胞活性等问题不再是困扰。我们认为，光固化生物打印技术将在细胞生物打印技术中发挥越来越重要的作用，有望取代挤出式生物打印成为未来最为主流的生物3D打印技术。 而生物墨水的性能大致可从三个方面予以评价：可打印性、生物相容性和机械性能（图9）。可打印性是评估生物墨水的可成型性，包括可调节的生物材料粘度、从溶胶态到凝胶态的快速转换性质，以及大范围的可打印参数等。生物相容性要求生物墨水尽可能地与人体中细胞微环境相似，使细胞在其中增殖、扩展、分化并交互。机械性能要求凝胶态的生物墨水力学性能够强，以支持随后的培养和植入过程；生物打印的结构通常需要在体外培养，在此期间常常伴随着营养物质的灌注和降解，需要相当的强度支持；机械性能不足也会导致移植失败。  图9 生物墨水性能的评价标准 文章来源： https://doi.org/10.1016/j.ajps.2019.11.003 (责任编辑：admin) |