华东交通大学：逐点光固化原理的低成本生物3D打印设备

生物3D打印机通常价格都比较贵，有没有原理简单、小巧、成本低，适合于入门级的打印方法？EFL一直认为生物3D打印只有逐步成为生物材料、再生医学类研究人员标配的实验仪器，这个行业才会有蓬勃的发展动力，这也是EFL生物打印机研发一直坚持的理念及愿景。

近期，华东交通大学的刘燕德教授团队联合EFL团队在Bioactive Materials上发表了题为“Lightweight 3D bioprinting with point by point photocuring”的文章，报道了一种基于立体光刻的轻量级3D生物打印系统，该系统具有结构小巧（30*30*20cm）、造价低廉等诸多优点，适合入门级应用。研究人员系统地探索了逐点固化3D生物打印工艺并进行了细胞打印，证明即使是这么简单的系统在保证打印精度的同时也能够很好的维持细胞活性。

首先，研究人员依据立体光刻原理搭建了一套3D生物打印系统（图1），其可用于甲基丙烯酰基改性的水凝胶的3D生物打印。

图1 立体光刻生物打印系统的设计

其次，研究人员对所用甲基丙烯酰明胶（GelMA）材料的流变学性能进行了测试，针对水凝胶的可光固化性能及打印时的材料模量进行了定性的分析。

图2 打印材料的流变学测试

随后研究人员对立体光刻打印成型工艺过程进行了系统性的探索。针对水凝胶固化成光斑的过程（图3）及固化的点光斑连接成三维结构的过程（图4）进行了分析，最终得到最佳打印参数窗口。

图3 水凝胶固化成光斑过程中的可打印性分析

图4 固化的点光斑连接过程中的可打印性分析

根据所得到的最佳打印参数窗口，研究人员利用打印系统制造出了复杂几何结构（图5）及仿生结构（图6），从而实现GelMA水凝胶的精确控型。随后研究人员对打印出的网格支架结构进行了压缩测试（图7）。

图5 复杂几何结构

图6 仿生结构

图7 打印结构力学测试

最后，为了满足生物3D打印中生物相容性的要求，研究人员进行了水凝胶细胞打印实验。从实验结果（图8、图9）可以看出打印的细胞经过5天的培养后能够保持良好活性，且出现了一定的增殖及伸展的情况，这验证了该生物打印方法具有较好的生物相容性。

图8 细胞活性分析

图9 载细胞支架骨架染色

综上所述，该研究开发了一种轻量级的立体光刻生物打印系统，并通过系统性探索逐点固化的3D生物打印方法解释了水凝胶光固化的成型机理。该立体光刻生物打印系统为制造具有优异形状保真度的可光交联的生物墨水提供了便携、低成本的策略。该策略在药物筛选、病理机制研究和生物疾病模型构建中具有较好的应用前景。

论文：“Lightweight 3Dbioprinting with point by point photocuring”已在Bioactive Materials期刊在线刊登。华东交通大学张鹏硕士、浙江大学王昊轩硕士为共同第一作者，浙江大学机械工程学院贺永教授、高庆博士后、华东交通大学机电与车辆工程学院刘燕德教授为共同通讯作者。


论文链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2452199X20302747