《Mater. Horiz.》德国维尔茨堡大学：多功能拓扑激光3D打印水凝胶

来源：Polymer高分子

大多数使用标准逐层方法工作的传统3D打印技术缺乏两个重要特征：首先，它们需要所有打印元素之间的物理连接或使用支撑结构来稳定精密部件和悬垂物，这些部件和悬垂物必须在之后移除。因此，纠缠或串联元素是不可能的，尤其是在使用水凝胶等软材料时。传统3D打印设置的第二个限制是它们不是真正的3D打印，因为CAD模型经历了阴影-切片过程，是2D层的轴向堆叠（图 1A）。这限制了可能的运动路径。此外，必须扫描3D模型的大部分边界框以构建结构，尽管在该体积的很大一部分内没有打印任何内容。由于生产时间随着打印分辨率的三次方增加而增加，因此无法经济高效地实现以亚微米分辨率生产的大尺寸样品。

德国维尔茨堡大学提出了一种新颖的方法，它克服了这两个限制，并且能够创建仅在拓扑上互连的真正 3D 结构部件。即使是由软水凝胶制成的小至1 μm的精细特征也可以实现并用作 3D 细胞支架。与耗时的逐层程序相比，自由形式3D打印允许通过沿任何XYZ轨迹移动来构建任意形状，而无需创建任何支撑结构（图 1B）。为了将通用且快速的自由形式3D打印程序扩展到低粘性前体的软水凝胶，作者开发了一种双组分水凝胶组合物（图 1E），当与光引发剂混合时，会产生可光固化的树脂。聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEG-DA，m w = 700 g mol-1）和玫瑰红（RB）分别被选为光敏组分和光引发剂。RB由于其多功能特性（如抗菌活性）及其在光化学组织粘合和癌症治疗中的用途而引起了生物医学应用领域的兴趣。第二个水凝胶成分是高度细胞相容性的聚（2-恶唑啉）/聚（2-恶嗪）嵌段共聚物 (PMeOx-b-PnPrOzi，简称：POx-b-POzi)，温度升高，其经历可逆的溶胶-凝胶转变。温度低时，它是液体，很容易与其他成分混合。作为室温下的凝胶，它允许创建独立元件而无需支撑结构。重要的是要注意，POx-b- POzi凝胶仅进行物理交联，并且在自由形式3D打印过程（图 1F）后容易与未固化的PEG-DA（溶胶部分）一起被冲走，从而形成所需的3D结构（图. 1G）。

图 1. (A) 使用耗时的逐层程序对 3D 结构进行剖面图和切片组装。(B) 三维自由曲面构造过程中激光焦点的轨迹，适用于抑制印刷元素扩散的高粘度聚合物 (C)，但在低粘度材料 (D) 中构造时会导致不连续的部分环由箭头突出显示。（E-G）双组分水凝胶的组分和聚合过程，通过freeform 2PP，然后是溶解水凝胶的所有非发光部分，包括固有支持基质的显影步骤。(H) 直径为 15 μm 的互连环的共聚焦荧光显微镜图像。(I) 具有三层的相同环形结构的顶视图和 (J) 侧视图。

图2 (A) 不同水凝胶组合物的振幅扫描：POx-b-POzi(B1)、PEG-DA/ POx-b-POzi混合物 (B2) 和PEG-DA (B3)。(C) 主要成分PEG-DA和POx-b-POzi以及制备的水凝胶混合物 (PEG-DA/ POx-b-POzi) 和 2PP 结构化和开发后 (2PP)的拉曼光谱的比较。(D) 具有 33 mW 恒定激光功率和从 0.25 mm s-1增加到 2.25 mm s-1的 2PP 结构圆柱体的拉曼光谱。(E) 聚合物和水的拟合拉曼带的面积比取决于结构化激光功率 (红色) 和速度 (蓝色)。 (F) 2PP 结构圆柱的杨氏模量取决于结构速度。

图 3 不同 2PP 结构 3D 设计的共聚焦荧光显微镜图像。(A) 确定 2PP 处理窗口以实现 3D 松散互连环（串联环配置）。(A1) 激光剂量太高，(A2) 根据需要，(A3) 中等结构质量，(A4) 激光剂量太低。(B) 研究的速度和激光功率组合矩阵及其分类到所描述的类别中。一层焊接 (C) 和串联 (D) 环自由悬挂在支撑结构内。(E) 由四个串联环层组成的 1 × 1 mm 场的一部分。(F) 一层各向异性互连环（焊接和串联环配置，取决于空间方向）。

图 4 (A)L929细胞增殖，在播种后24小时至6天期间在上方培养，在翻转底物前参考细胞计数。L929细胞在焊接(B)和连接环设计(C)中的3D水凝胶支架内迁移的荧光共聚焦显微镜图像的顶视图。插图显示了与水凝胶环相互作用的细胞的3D特写。(D)IPSC衍生的心肌细胞聚集体，在播种7天后在由串联环制成的四层支架顶部培养。(E)在播种后第4天，在由焊接环制成的四层环形支架上分离的心肌细胞聚集体中的两个细胞。

相关论文以题为Freeform direct laser writing of versatile topological 3D scaffolds enabled by intrinsic support hydrogel发表在《Mater. Horiz.》上。通讯作者是德国维尔茨堡大学Doris Heinrich、Robert Luxenhofer。

参考文献：doi.org/10.1039/D1MH00925G