浙江大學：投影式光固化生物3D打印的可打印性

近年來，投影式光固化生物3D打?。≒BP）由于打印的高精度和高效率受到了廣泛的應用，尤其是在生物制造領域，該打印方法有望與擠出式生物打印平分秋色。但人們對于投影式光固化生物3D打印過程的理解仍很不清晰，阻礙了生物墨水的高質量打印。近期，EFL團隊沿著墨水配制-參數優(yōu)化-量化評價-打印規(guī)范化的工藝路線，系統(tǒng)探討了PBP技術的可打印性，給出了5類常用的打印參數配置參考，方便同行的快速應用。相關工作“Printability during projection-based 3D bioprinting”近期發(fā)表在Bioactive Materials雜志上，浙大機械學院的喻康博士生為一作，邵逸夫醫(yī)院的張新杰博士生為共一，通訊作者為浙大機械學院的賀永教授。

投影式光固化生物3D打印技術是一種材料導向型的增材制造技術，隨著近年來水凝膠材料的改性修飾工藝日漸成熟，新型可光固化的水凝膠材料層出不窮。光固化水凝膠如何高效評價材料的可打印性? 如何快速調整打印參數?又如何量化評價成形過程中的各種誤差？

為此，我們系統(tǒng)的開展了相關研究。作為生物應用的生物墨水材料首先需要滿足的就是良好的生物性能（細胞相容性、細胞功能性、生物降解性等）。我們首先著眼于PBP的打印機理，分析在PBP打印過程中，水凝膠生物墨水需要滿足哪些性質。從PBP打印過程3個關鍵步驟中，如圖1B所示，我們可以知道與常規(guī)的擠出打印不同，PBP打印時生物墨水需要具有良好的光交聯(lián)特性（交聯(lián)速率快和交聯(lián)強度高），以及良好的流動性（較低粘度，與擠出打印的需求相反）。

圖1（A）PBP打印原理（B）PBP打印過程關鍵步驟

再次，為了有效提高水凝膠墨水的交聯(lián)速率和交聯(lián)強度，我們對生物墨水材料的交聯(lián)過程進行分析，我們選取GelMA材料作為生物墨水，對自由基交聯(lián)化學過程進行剖析（圖2所示），并分析如何將打印機的調配參數和光交聯(lián)化學過程的控制條件聯(lián)系起來，以實現(xiàn)生物墨水的可控打印，從而調控生物墨水的交聯(lián)速率和交聯(lián)強度。同理，其他的生物墨水材料（自由基、陰離子、陽離子等交聯(lián)體系材料）均可通過該思路建立交聯(lián)過程與PBP參數的對應關系，實現(xiàn)生物墨水的可控打印。

區(qū)別于直接光固化交聯(lián)，PBP是投影圖案的光源在材料內的區(qū)域選擇性固化（圖3所示），該過程從打印精度控制的角度對生物墨水材料的光固化特性提出了更高的要求。

圖2 GelMA生物墨水的光交聯(lián)過程分析

圖3 光固化生物墨水在圖案化光源下的交聯(lián)規(guī)律

如何控制光交聯(lián)過程精度至關重要，隨后我們著重對PBP的打印誤差進行了分析和調控。根據PBP面成型的特點，我們將打印誤差分為2D誤差（層內誤差）和3D誤差（層間誤差），并分別提出了相應的標準評價模型，對最終的打印結果進行量化評價，得出各個材料參數和打印參數對打印誤差形成的影響，以及調控的可行性（圖4、5所示）。

圖4 2D誤差原理分析以及各參數的影響

圖5 3D誤差原理分析以及各參數的影響

緊接著，我們在將參數調控和誤差控制的方法應用到實際的結構打印過程中時，發(fā)現(xiàn)最終打印結果的好壞還與目標結構的三維形狀有巨大的聯(lián)系。作者根據投影截面的形狀，結合目前最常見的生物醫(yī)學應用場景需求，將常用生物制造結構分為5類，并對每一類的結構特征和打印難點進行分析，并給出了打印該結構的材料配制（生物墨水濃度、引發(fā)劑濃度等）、參數選擇等給出了打印策略（圖6所示），并應用該策略成功打印了各類結構，驗證了這些打印策略的可行性（圖7所示）。

圖6 五類生物醫(yī)學結構的打印策略

圖7 應用該策略的打印結果示例

最后，作者結合應用導管結構（Conduit structure）和微柱結構（Microcolumn structure）的打印策略，成功打印了GelMA的多孔支架結構。并在支架上接種了GFP轉染的內皮細胞，圖8展示了內皮細胞在多孔支架上的生長狀況。經過10天的培養(yǎng)，內皮細胞可以幾乎爬滿整個支架的外表面并呈現(xiàn)出很好的活性。這說明，經過PBP打印，GelMA墨水的生物特性依舊保持優(yōu)異，而這樣的多孔結構，可以大大增加結構的比表面積，促進支架內外的物質交換，該類結構對細胞擴增、軟組織修復等都有巨大的應用潛力。除了內皮細胞以外，作者還驗證了GelMA材料對肌腱干細胞（TSCs）和骨間充質干細胞（BMSCs）的細胞兼容性，進一步說明了PBP技術打印的多孔支架在干細胞擴增方面的應用潛力。

圖8 PBP打印的GelMA多孔支架上接種的HUVECs狀態(tài)

圖9 肌腱干細胞（TSCs）和骨間充質干細胞（BMSCs）的生物學性能驗證

參考文獻

Kang Yu, Xinjie Zhang, Yuan Sun, Qing Gao, Jianzhong Fu, Xiujun Cai, Yong He, Printability during projection-based 3D bioprinting, Bioactive Materials
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.09.021