Research：多材料投影式生物3D打印

來源：EngineeringForLife

準(zhǔn)確重建自然生物組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是生物3D打印的長期目標(biāo)。投影式3D打�。≒BP）在所有3D打印技術(shù)中具有更好的分辨率/制造時(shí)間（RTM）比，被認(rèn)為是下一代生物打印的主流方案之一。盡管如此，使用具有不同力學(xué)性能的生物墨水進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、高保真度和高分辨率的打印仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。這種局限性源于缺乏系統(tǒng)性的研究和成熟的打印設(shè)備。關(guān)于多材料生物3D打�。≒BBP）的許多關(guān)鍵問題尚未得到解答。例如：多材料生物墨水的聚合特性有何不同？哪些材料組合適合多材料打��？如何避免交叉污染？如何評估打印分辨率？打印系統(tǒng)應(yīng)該如何架構(gòu)？

為系統(tǒng)回答這些問題，EFL團(tuán)隊(duì)在《Research》期刊上發(fā)表了題為“Printability in multi-material Projection-based 3D Bioprinting”的研究論文，浙江大學(xué)楊華勇院士、賀永教授為共同通訊作者，博士生何超凡為第一作者。

本文首先總結(jié)了多材料PBBP的基本框架。該框架涵蓋打印設(shè)備、材料要求、墨水切換、聚合特性、交叉污染、分辨率評估等六個(gè)關(guān)鍵方面。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并發(fā)明了基于料槽切換式的多材料打印裝備，可支持六種材料同步打印，提出了流體控制沖洗-負(fù)壓輔助毛細(xì)吸附的協(xié)同清潔方法，集成了專用的生物打印操作系統(tǒng)、力學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)、可視化模塊、激光校準(zhǔn)裝置和柔性剝離機(jī)構(gòu)，以確保打印設(shè)備的穩(wěn)定性和可操作性。   

圖1 多材料投影式生物3D打印基本框架與標(biāo)準(zhǔn)流程

多材料墨水的聚合特性
水凝膠因其高含水量、優(yōu)異的生物相容性以及可降解性，在生物墨水領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，水凝膠分子的自然擴(kuò)散特性導(dǎo)致不同墨水之間容易發(fā)生交叉污染，這對構(gòu)建具有復(fù)雜界面的生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。目前，對于多材料生物墨水的光聚合行為，尤其是界面處的光聚合動力學(xué)和機(jī)理，尚缺乏深入的理解。本研究系統(tǒng)地探究了多材料生物墨水的光聚合行為與特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與單組分水凝膠相比，多組分水凝膠的凝膠點(diǎn)時(shí)間明顯提前，即表現(xiàn)出聚合加速行為。但這一現(xiàn)象并非源于雙鍵轉(zhuǎn)化率的絕對值或增長速率的提升。通過對平均交聯(lián)步數(shù)的測試發(fā)現(xiàn)，在固化前期，多組分墨水的單體分子發(fā)生了更多的鏈增長反應(yīng)。這表明不同光敏基團(tuán)之間存在協(xié)同作用，有利于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的快速發(fā)生。水凝膠的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步證實(shí)了混合墨水發(fā)生了更高頻率的鏈增長反應(yīng)，不同單體的相互嵌套促進(jìn)了三維聚合網(wǎng)絡(luò)的形成。   

圖2 多材料生物墨水的聚合特性

多材料PBBP可打印標(biāo)準(zhǔn)
人體組織往往具有軟硬結(jié)合的特性，例如骨骼和軟骨、皮膚和肌肉等。為了更真實(shí)地模擬組織微環(huán)境，多材料生物3D打印往往會使用具有不同力學(xué)特性的水凝膠來模擬不同的組織。然而，力學(xué)強(qiáng)度差異過大的水凝膠可能會面臨力學(xué)失配與界面結(jié)合強(qiáng)度不足的問題（圖4.6）。因此，探究軟硬復(fù)合水凝膠的界面結(jié)合強(qiáng)度規(guī)律，并判斷材料組合是否適合于多材料3D打印對于優(yōu)化打印工藝非常重要。本文提出了基于斷裂能的界面結(jié)合強(qiáng)度判斷標(biāo)準(zhǔn)，并作為可打印判據(jù)。探究了界面結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域（TR）和面積比（AR）對可打印窗口的影響規(guī)律。   

圖3 多材料PBBP的可打印標(biāo)準(zhǔn)

多材料PBBP的交叉污染
多材料PBBP的交叉污染可以分為滲透污染和殘留污染兩類。滲透污染是指固化后的水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)易于被其他材料滲透。這是幾乎不可避免的。因此，為了探究粘性生物墨水在水凝膠聚合網(wǎng)絡(luò)中的滲透規(guī)律，建立了粘性生物墨水滲透測試標(biāo)準(zhǔn)方案，并研究了水凝膠分子量和滲透物質(zhì)分子量對滲透率的影響。殘留污染則是指在墨水切換過程中，殘留在打印結(jié)構(gòu)表面的其他墨水會污染后續(xù)裝載在不同料槽中的墨水，導(dǎo)致墨水性能變化�？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)那逑闯绦蛴行П苊�。本文詳�?xì)測試并優(yōu)化了流體沖洗和負(fù)壓輔助毛細(xì)吸附的工藝參數(shù)，有效避免了交叉污染。

圖4 多材料PBBP的交叉污染

多材料PBBP的打印分辨率
打印分辨率是評估3D打印技術(shù)制造能力的關(guān)鍵指標(biāo)。然而，現(xiàn)有的打印分辨率研究主要集中于傳統(tǒng)單材料打印，對于多材料PBBP打印的分辨率誤差來源和評估標(biāo)準(zhǔn)尚缺乏系統(tǒng)研究。這是因?yàn)槎嗖牧洗蛴∫�入了多種具有不同特性的材料，使得打印過程更加復(fù)雜，導(dǎo)致影響因素之間相互耦合，難以準(zhǔn)確分析分辨率誤差的來源和制定有效的評估標(biāo)準(zhǔn)。在多材料PBBP中，打印誤差來源主要有以下三類：A類分辨率劣化：光固化不足或過度固化導(dǎo)致的尺寸偏差；B類分辨率劣化：層內(nèi)多材料打印的相互影響；C類分辨率劣化：墨水交叉污染導(dǎo)致的分辨率下降。本文構(gòu)建了交替輻條結(jié)構(gòu)的多材料打印分辨率標(biāo)準(zhǔn)測試模型對打印分辨率進(jìn)行系統(tǒng)測試與分析。   

圖5 多材料PBBP的打印分辨率

多材料打印效果
為驗(yàn)證層間和層內(nèi)多材料打印打印質(zhì)量，成功制備了具有不同編織、嵌套和懸垂特征的晶格結(jié)構(gòu)，打印結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出清晰的材料界面、高結(jié)構(gòu)保真度和理想的力學(xué)性能。此外，還設(shè)計(jì)并打印了仿生氣管模型和肝小葉模型，該模型由兩種細(xì)胞負(fù)載生物墨水（RFP-hCMEC和GFP-PAN02）構(gòu)成（圖6A），打印結(jié)構(gòu)中細(xì)胞界面清晰，結(jié)構(gòu)保真度良好。  

圖6 多材料打印設(shè)備

參考資料：
https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0613