《Biofabrication》綜述：體積生物打印進展

來源：EFL生物3D打印與生物制造

生物打印在組織工程、再生醫(yī)學等領域極具應用潛力，但傳統(tǒng)的逐層打印方式存在打印速度慢、表面質量差等問題，限制了其在生物制造領域的發(fā)展。此外，常用的光固化技術中，紫外線光源會損害細胞，不利于生物打印及后續(xù)的生物醫(yī)學應用。  

廣州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院謝茂彬教授團隊在《Biofabrication》期刊發(fā)表綜述“Advances in Volumetric Bioprinting”，該篇綜述對體積生物打?。╒BP）技術進行了全面探討。文章介紹了VBP的打印原理和硬件設計，詳細闡述了基于VBP的生物墨水的研究進展，包括多種生物墨水的配方及特性。同時，文中還展示了VBP在生物打印、多材料和多細胞打印、個性化藥片制備以及玻璃制造等多個生物醫(yī)學領域的應用成果。通過這些研究，為解決傳統(tǒng)生物打印技術的痛點提供了新的思路和方法，推動了生物打印技術在生物醫(yī)學領域的進一步發(fā)展。

1.生物打印的分類
分別介紹了噴墨式生打印技術，擠出式生物打印技術，光固化式生物打印技術和體積生物打印技術的成型特點。傳統(tǒng)3D打印技術的逐層打印方式速度慢、表面質量差，且常用的紫外線光源會損害細胞。VBP技術應運而生，它能在數(shù)十秒內創(chuàng)建復雜的厘米級構建體，具有快速制造、非接觸式打印和高細胞存活率等優(yōu)勢，在組織工程、再生醫(yī)學等領域前景廣闊。

圖1. 根據(jù)打印維度將3D打印技術分類

2. 體積生物打印的硬件設計和算法
CAL系統(tǒng)：受CT圖像重建過程啟發(fā)，通過DLP從不同角度向旋轉的樹脂容器投射2D圖像，使光敏樹脂在設計位置固化。該系統(tǒng)可在30 - 300秒內制造厘米級構建體，打印過程包括導入模型文件、算法計算、圖像優(yōu)化和投影打印等步驟。
高分辨率體積制造系統(tǒng)：在CAL系統(tǒng)基礎上增加反饋系統(tǒng)，通過相機記錄打印過程并調整后續(xù)打印參數(shù)，可提高打印分辨率，能實現(xiàn)80µm的正特征和500µm的負特征精度。   
雙色光聚合系統(tǒng)：如Xolography，使用兩種不同波長的光束固化目標光樹脂，具有比CAL更高的打印分辨率和體積生成速率。

圖2. 體積打印技術的發(fā)展歷程

圖3. CAL體積生物打印裝置示意圖和三維結構的切片分析

圖4. 通過集成反饋系統(tǒng)提高體積生物打印的分辨率

3. 體積式打印的光交聯(lián)劑和生物墨水
VBP的發(fā)展依賴于合適的生物墨水。文中介紹了多種生物墨水，如絲素蛋白（SS和SF）與Ru/SPS組合的生物墨水，可打印復雜結構且具有獨特性能；Gel - NB與PEG4SH混合的生物墨水，具備較好的細胞相容性；還有工程聚合物樹脂、雙光子光引發(fā)劑（DCPI）以及用于陶瓷打印的墨水等，各自滿足不同的打印需求。

圖5. 常見的光引發(fā)劑

圖6. 部分體積打印墨水合成示意圖

4. 體積生物打印的生物醫(yī)學應用   
生物打印：多個研究團隊利用VBP技術打印出多種組織模型，如人體耳廓、半月板、骨組織等，且細胞存活率高。還能打印器官類結構，為生物工廠的發(fā)展提供了可能。

圖7. 體積生物打印的生物醫(yī)學應用

多材料和多細胞打?。和ㄟ^與其他3D打印技術結合，VBP在制造多材料和多細胞的異質組織結構方面取得進展，如構建多細胞血管模型和局部高密度細胞結構。   

圖8. 體積生物打印的多材料和多細胞應用

個性化藥片制備：研究人員使用體積打印機在短時間內制備出含藥物的個性化藥片，展現(xiàn)了VBP在制藥領域的優(yōu)勢。   

圖9. 體積打印技術制造藥片

玻璃制造：VBP可用于制造二氧化硅玻璃和硅氧碳陶瓷，提高了制造效率和模型優(yōu)化速度。

圖10. 體積生物打印裝置制備硅玻璃和碳化硅陶瓷

5. VBP的展望
通過硬件和軟件的改進，打印分辨率和保真度將得以提升；開發(fā)新型生物墨水，可拓展其生物醫(yī)學應用范圍；多材料和多細胞 VBP 的發(fā)展，將實現(xiàn)更復雜組織和器官模型的構建；原位 VBP 也可能成為新的研究熱點。此外，人工智能輔助打印技術將優(yōu)化打印參數(shù)，補償細胞散射效應，推動 VBP 在醫(yī)療設備制造等領域的廣泛應用，為生物醫(yī)學發(fā)展帶來更多可能。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad0978