本帖最后由 SunPBiotech 于 2022-5-5 16:26 编辑
关于光固化打印技术 基于光固化的打印技术可在精确控制的光照下固化光敏聚合物形成结构。光固化技术除了能运用于化工，材料等领域，最前沿的应用莫过于其在生命科学和医学领域的应用了。 神经系统的疾病，比如阿尔兹海默症，帕金森，癫痫等，影响了全球约1/6的人口，之前人们对其病因的起因和进展研究也因研究大脑原位的传统技术的局限性而受到阻碍。新的技术和方法能够利用实验室中生长的3D打印的微型“类大脑”神经元系统来研究大脑（上普学术 | 微型脑打印为脑肿瘤治疗提供突破口）。研究人员而无需采用活体动物，就可以研究神经元是如何交流和自我组织的。在“类大脑“等类器官模型的建立的过程中，被打印成类器官的细胞通常被包裹在水凝胶生物材料中。理想的生物材料是在三维环境中培养的目标组织的仿生，模拟目标组织的机械、结构、生化和扩散特性，同时保持与细胞的生物相容性。比如甲基丙烯酸透明质酸(methacrylated hyaluronic acid)——HAMA就是一种适合打印神经系统结缔组织的细胞外基质的液态生物材料（生物墨水）。 生物3D打印需要经历一个从生物墨水到通过光引发的自由基聚合反应实现的半固态交联网络的相变——光固化，以形成相应的生物材料结构。在培养和打印神经系统结缔组织的研究过程中，科学家们发现较软的HAMA 3D打印结构驱使神经前体细胞 （NPC）朝向神经表型，而具有类似于成人脑的较硬机械性质的HAMA 3D打印结构有利于NPC分化成星形胶质细胞。因此，如何控制好基于生物墨水的3D打印结构的强度就对于后期神经系统的研究有着重要的意义。 Antill-O’Brien et al. Layer-By-Layer: The Case for 3D Bioprinting Neurons to Create Patient-Specific Epilepsy Models. Materials (Basel). 2019 Oct; 12(19): 3218. 较好的光固化技术可以有效的控制/调节材料的力学性能和降解度，生物相容性更好，并可按需增强打印结构的弹性和延长储存时间；而目前采用的光固化技术，低粘度的材料不容易成型，光的强度和光照时间不容易精确条件，这使得打印结构的硬度和强度难以控制，难以形成精细结构，复杂结构。 适合光固化的材料与工艺 作为一种理想的3D打印材料，它应该具有足够好的机械强度和结构完整性，同时应该具有很好的生物相容性，因此更适合使用天然的生物材料来弥补合成的高分子材料的不足。但是天然的生物材料在可打印性和机械特性上却存在不足，而且，细胞的生物活性也会因3D生物材料的结构和机械性能受到重要影响。光固化是最有前途的生物制造技术之一——它无创，且使得整个打印过程简单化：低粘度材料挤出后就可以马上光照成型，光强度，曝光时间和光照速度都可调节，也可局部曝光。 适合同步光固化的生物材料可以使用紫外光固化。许多天然生物材料比如明胶、羟基磷灰石、丝素蛋白、果胶等通过丙烯酸改性可以在紫外365nm波长交联并且3D打印出来。 3D 打印可以通过多种技术方法：比如喷墨（ink-jet），激光辅助（laser-based printing, 如stereolithography）或者挤出式（extrusion）。喷墨式采用热或压电传动装置（piezoelectric actuator）固化，打印受限于低粘度材料；激光辅助式打印虽然打印无需支持材料，但可使用的墨水非常有限；而挤出式打印适合的生物材料非常多。 Choi et al. 3D Cell Printed Tissue Analogues: A New Platform for Theranostics,. Theranostics. 2017; 7(12): 3118–3137. 从上面研究成果的表中可以看到挤出式3D打印机适用的生物墨水种类最为丰富，而下面这篇研究成果总结出，在这些适合挤出式打印技术的生物墨水（水凝胶）中，GelMA（甲基丙烯酸酐化明胶）、GMHA（HAMA）、胶原又可以采用同步光固化的方法进行打印。 Choi and Cha. Recent advances in the development of nature-derived photocrosslinkable biomaterials for 3D printing in tissue engineering. Biomaterials Research 2019; 23:18. 应用案例 光固化打印技术让更多样的组织器官构建成为了可能，下面我们来分享其中几篇典型案例：骨和软骨软骨缺损的修复 该结构接种有骨髓来源的间充质干细胞（MSCs）。两个水凝胶层由共价结合了不同骨分化诱导剂和β-环糊精分子的HAMA，GelMA等预水凝胶成分组成。这两层预水凝胶结构分别经UV光引发后，位于两层的不同的分化诱导剂从β-环糊精的小孔结构中持续释放，分别使得两层水凝胶结构中的MSCs分化成软骨和软骨下骨，最终使得关节相应缺损处得以修复再生。该结构已经成功运用到缺损兔骨软骨修复的动物模型实验中，将为生物材料的相特异性药物释放和组织修复开辟了一条新的化学途径。
创伤修复芬兰奥布研究院大学和澳大利亚伍伦贡大学的研究者们采用纳米纤维素(TEMPO-oxidized CNF)与GelMA等配制生物打印墨水。通过钙离子和UV交联固化，将低浓度的生物墨水打印成具有较好的结构稳定性的高精度的3D生物支架。打印出的支架在3T3成纤维细胞非细胞毒性和生物相容性，并可以促进成纤维细胞的增殖。该研究为创伤愈合提供了潜在的应用前景。
心脏瓣膜生物3D打印技术可以制备出解剖上精确的、具有异质机械特性且带有细胞的工程瓣膜。理想的工程瓣膜可以与病人组织结合并生长，因此可作为活体瓣膜替代物在未来潜在的治疗方案中发挥作用。 Duan et al. 3D Printed Trileaflet Valve Conduits Using Biological Hydrogels and Human Valve Interstitial Cells. Acta Biomater. 2014 May; 10(5): 1836–1846.
康奈尔大学的科学家使用基于HAMA/GelMA的水凝胶打印出简化的含人主动脉瓣膜间质细胞（HAVIC）的心脏瓣膜导管。科学家通过优化水凝胶成分的浓度，并经过UV光固化交联构建出有合适粘度和强度的支架模型。包裹在瓣膜导管模型中的HAVIC具有较高的活性，并保持了成纤维细胞的表型，且通过沉积胶原和粘多糖重建了初始基质。科学家们还使用海藻酸钠/明胶水凝胶生物打印具有解剖结构和活细胞的3D心脏瓣膜。
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