基于投影的3D生物打印过程中光固化强度可调水凝胶生物墨水的可打印性研究

供稿人：贺佩、贺健康
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

3D打印，也称为增材制造，因其具备个性化制造复杂模型的能力成为一种适合再生医学的方法。近年来已报道了许多利用3D打印技术进行组织工程支架打印案例，表明其在制造人工器官/组织方面具有强大潜力。数字光处理（DLP）是另一种高分辨率印刷方法，开发可光固化、具有生物相容性且具备适宜的机械性能的材料对利用DLP技术构建人工器官/组织具有重要意义。明胶甲基丙烯酰基（GelMA）是一种由天然聚合物改性的可光固化水凝胶，具有最广泛的细胞相容性，是平衡生物相容性和可印刷性的3D生物打印的理想材料，但其交联过程复杂，难以确定反应的程度，且其机械性能较差，难以满足打印需求。

浙江省3D打印工艺与设备重点实验室的Yuan Sun等提出了一种双键修饰的生物大分子的光交联理论，将明胶、透明质酸和壳聚糖等生物大分子通过取代反应获得双键基团，从而获得交联能力。研究建立了由投影模块、机械模块和辅助模块组成的生物打印装置，以产生复杂的GelMA水凝胶模型。开发的数字光处理生物印刷(DLPBP)方法可概括为以下步骤。计算机将目标3D数字模型切片成多个薄层。透明底部的墨盒中装满了GelMA墨水。打印开始时，打印平台落入墨盒，底部有一层厚度的间隙。然后，投影仪将第一个切片的图案发送到平台上。图案内的GelMA油墨很快就会交联，形成固体水凝胶结构。随着第一层的完成，平台上升，为GelMA油墨留下一个新的缺口。然后，下一层的图案被投影以形成新的层。重复此过程，以这种方式逐层打印模型。

图1 具有卓越的生物相容性和可控的物理特性的复杂的高精度DLP打印模型

结果表明，将支架与骨髓间充质干细胞陪养3d后，>90%的=细胞存活并扩散良好。使用优化的工艺参数打印了高精度厘米级的手形GelMA支架，下面将详细介绍(图1(Bi))。接种在支架上的细胞快速而均匀地附着。通过调整印刷工艺参数，可以获得很大范围的机械强度(10-103kPa)。该范围涵盖大多数软组织，包括角膜、肝、脑、心、肾、肺、动脉和皮肤。

综上，研究提出了一种使用光固化性软水凝胶油墨制造形状复杂，精度高且机械性能可控的组织和器官的个性化定制水凝胶结构生物印刷方法，提出了一种评价光交联印刷技术的方法理论和模型。 根据理论和实验总结了机械参数图，从而实现了对机械性能的广泛控制，验证了开发的光固化墨水对HUVECs生物相容性，但还未对不同细胞影响进行研究。后续研究可以聚焦于细胞行为与打印方法参数之间的关系，建立了多细胞DLPBP方法，实现机械性能调节。

参考文献：
Sun, Y., Yu, K., Nie, J., Sun, M., Fu, J., Wang, H., He, Y., 2021. Modeling the printability of photocuring and strength adjustable hydrogel bioink during projection-based 3D bioprinting. Biofabrication 13, 035032.. doi:10.1088/1758-5090/aba413