PμSL 3D打印技術在三維復雜組織支架中的應用

來源：摩方材料

3D打印技術近年來被廣泛應用于組織工程應用中，利用這一技術可以穩(wěn)定可靠加工特定尺寸的復雜三維支架，以有效構筑三維生物模擬環(huán)境用以相關生命科學研究。本文以類巴基球這一新型支架結構為例，展示面投影微立體光刻3D打印技術如何快速大面積制作三維精細復雜組織支架。

細胞在三維生理環(huán)境中的形貌和分化與其在二維組織培養(yǎng)環(huán)境中有很大的差別，近年來研究者們對三維結構系統(tǒng)中的細胞生理行為進行了廣泛研究。然而，這些三維組織系統(tǒng)在化學組分、力學特性和形狀等方面相比二維系統(tǒng)都復雜的多。如何穩(wěn)定可靠加工出高質(zhì)量的三維聚合物支架用于后續(xù)系統(tǒng)研究細胞的相關行為，仍是首要亟待解決的難題。3D打印憑借其任意復雜三維加工的優(yōu)勢，已被廣泛應用于加工各類型組織支架。（如圖1所示）

圖1 使用3D打印技術制作的各類型三維組織支架

相比于其他3D打印技術，面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術具有打印精度高、打印速度快、大幅面跨尺度加工、材料適應范圍廣（聚合物、生物陶瓷等材料）等諸多優(yōu)點，可適應多種支架結構的打印制作。如圖1c所示，利用PμSL 3D打印技術加工的人工軸突支架，可用于直接觀察和定量髓鞘形成過程，以及髓鞘化細胞對物理因素和藥劑的反應。圖1f所示的青蛙骨頭支架，被用作生長因子傳遞的載體工具，最終實現(xiàn)了骨骼缺損中軟骨到骨骼的再生。

然而，對于一些新型的精細支架結構，由于其結構復雜程度高、特征尺寸小、以及大幅面小批量制作的需求，普通精度的面投影微立體光刻技術3D打印技術仍然難以滿足其制作要求。如圖2所示的鏤空類巴基球結構組織支架（巴基球結構即C60的分子結構，此處討論的結構由該結構衍變而來），單個支架整體尺寸為200 μm直徑，其中的桿徑為14 μm，表面開孔邊長為25 μm。對于普通精度光固化3D打印技術，由于其設備光學分辨率通常大于50 μm，完全無法打印出14μm的特征細節(jié)。

圖2 類巴基球結構組織支架

深圳摩方材料科技有限公司利用其開發(fā)的2 μm光學精度設備nanoArch® S130設備，成功實現(xiàn)了對這一新型支架結構的加工制作。對于結構中的十幾微米桿徑，用2 μm的高分辨像素點可輕易加工完成。另一方面，這一結構為高密度結構，即結構表面開孔只有二十幾微米，特別是在Z方向上。這對于基于層層堆疊的3D打印技術同樣是個巨大的挑戰(zhàn)，即層與層之間既要保持良好的粘接性以實現(xiàn)穩(wěn)定的支架結構，又要控制其每層固化厚度在合理的數(shù)值范圍以保持所需的開孔尺寸。摩方材料通過調(diào)節(jié)打印材料固化深度、打印層厚及切片圖片，有效地平衡了材料固化厚度和極小開孔尺寸之間的關系，最終制作出高質(zhì)量的類巴基球結構組織支架，如圖3所示。

圖 3 摩方材料nanoArch® S130打印的類巴基球組織支架結構

本文以類巴基球結構組織支架為例，展示了面投影微立體光刻3D打印技術在三維組織支架方面的加工優(yōu)勢，為三維結構系統(tǒng)中的細胞生理行為的研究提供了良好的樣件平臺，可有效促進相關組織工程、再生醫(yī)藥等應用領域的發(fā)展。對于類巴基球這一新型3D組織支架的生物應用研究，本公眾號將在后續(xù)進行詳細報道。