基于投影的3D生物打印過程中光固化強度可調(diào)水凝膠生物墨水的可打印性研究

供稿人：賀佩、賀健康
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

3D打印，也稱為增材制造，因其具備個性化制造復(fù)雜模型的能力成為一種適合再生醫(yī)學(xué)的方法。近年來已報道了許多利用3D打印技術(shù)進行組織工程支架打印案例，表明其在制造人工器官/組織方面具有強大潛力。數(shù)字光處理（DLP）是另一種高分辨率印刷方法，開發(fā)可光固化、具有生物相容性且具備適宜的機械性能的材料對利用DLP技術(shù)構(gòu)建人工器官/組織具有重要意義。明膠甲基丙烯酰基（GelMA）是一種由天然聚合物改性的可光固化水凝膠，具有最廣泛的細胞相容性，是平衡生物相容性和可印刷性的3D生物打印的理想材料，但其交聯(lián)過程復(fù)雜，難以確定反應(yīng)的程度，且其機械性能較差，難以滿足打印需求。

浙江省3D打印工藝與設(shè)備重點實驗室的Yuan Sun等提出了一種雙鍵修飾的生物大分子的光交聯(lián)理論，將明膠、透明質(zhì)酸和殼聚糖等生物大分子通過取代反應(yīng)獲得雙鍵基團，從而獲得交聯(lián)能力。研究建立了由投影模塊、機械模塊和輔助模塊組成的生物打印裝置，以產(chǎn)生復(fù)雜的GelMA水凝膠模型。開發(fā)的數(shù)字光處理生物印刷(DLPBP)方法可概括為以下步驟。計算機將目標3D數(shù)字模型切片成多個薄層。透明底部的墨盒中裝滿了GelMA墨水。打印開始時，打印平臺落入墨盒，底部有一層厚度的間隙。然后，投影儀將第一個切片的圖案發(fā)送到平臺上。圖案內(nèi)的GelMA油墨很快就會交聯(lián)，形成固體水凝膠結(jié)構(gòu)。隨著第一層的完成，平臺上升，為GelMA油墨留下一個新的缺口。然后，下一層的圖案被投影以形成新的層。重復(fù)此過程，以這種方式逐層打印模型。

圖1 具有卓越的生物相容性和可控的物理特性的復(fù)雜的高精度DLP打印模型

結(jié)果表明，將支架與骨髓間充質(zhì)干細胞陪養(yǎng)3d后，>90%的=細胞存活并擴散良好。使用優(yōu)化的工藝參數(shù)打印了高精度厘米級的手形GelMA支架，下面將詳細介紹(圖1(Bi))。接種在支架上的細胞快速而均勻地附著。通過調(diào)整印刷工藝參數(shù)，可以獲得很大范圍的機械強度(10-103kPa)。該范圍涵蓋大多數(shù)軟組織，包括角膜、肝、腦、心、腎、肺、動脈和皮膚。

綜上，研究提出了一種使用光固化性軟水凝膠油墨制造形狀復(fù)雜，精度高且機械性能可控的組織和器官的個性化定制水凝膠結(jié)構(gòu)生物印刷方法，提出了一種評價光交聯(lián)印刷技術(shù)的方法理論和模型。 根據(jù)理論和實驗總結(jié)了機械參數(shù)圖，從而實現(xiàn)了對機械性能的廣泛控制，驗證了開發(fā)的光固化墨水對HUVECs生物相容性，但還未對不同細胞影響進行研究。后續(xù)研究可以聚焦于細胞行為與打印方法參數(shù)之間的關(guān)系，建立了多細胞DLPBP方法，實現(xiàn)機械性能調(diào)節(jié)。

參考文獻：
Sun, Y., Yu, K., Nie, J., Sun, M., Fu, J., Wang, H., He, Y., 2021. Modeling the printability of photocuring and strength adjustable hydrogel bioink during projection-based 3D bioprinting. Biofabrication 13, 035032.. doi:10.1088/1758-5090/aba413