如何开展生物3D打印课题？（案例篇-通用策略研究）

来源： EngineeringForLife

在生物3D打印相关研究中，通用性高、适用范围广的策略对于研究的开展具有较高的指导意义，其可在很大程度上缩短研究者的实验周期，为科研人员节省大量时间与精力。本期，从生物3D打印课题的通用策略研究出发，针对投影式光固化和挤出式这两种打印方法，带领大家深入了解相关内容。

案例1：投影式光固化生物3D打印通用策略研究

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31002-2

该研究提出了一种基于分子裂解的生物3D打印方法，通过将甲基丙烯酸透明质酸（HAMA）与甲基丙烯酰明胶（GelMA）混合，得到一种在打印时具有较高机械性能的生物墨水，从而实现打印结构的精准成形，并在打印结束后选择性地对结构中的HAMA进行酶解，可使打印结构变软，进而使打印结构与人体组织的机械性能相匹配，与此同时维持了结构的复杂性和保真度，该策略可用于具有高生物相容性但机械强度欠佳的同类型生物墨水研究。

图1 打印通用策略原理及广泛的机械性能可调性

1、GelMA/HAMA混合生物墨水的可打印性研究
该研究通过对不同分子量、浓度配比的GelMA/HAMA混合生物墨水进行打印测试，得到了不同材料条件下的可打印窗口。

图2 GelMA/HAMA生物墨水的可打印性评估

2、打印结构HAMA酶解实验
依据可打印性研究得到的不同材料条件下的打印窗口，可选择合适配比的材料进行不同组织结构的打印，随后对打印结构进行HAMA酶解，可得到具有广泛机械性能调控范围的复杂软组织模型结构。通过对GelMA、HAMA及透明质酸酶的成分调控，可得到与大脑、肝脏、肺、心脏等组织相似机械强度的打印结构。

图3 打印结构机械强度与HAMA酶解程度的关系

案例2：挤出式生物3D打印通用策略研究

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc5529

该研究通过向打印材料中添加明胶，使其具备温敏特性，从而制成互补网络生物墨水，通过利用明胶温敏性可逆的特点来调节打印过程中不同阶段生物墨水的机械强度，所制备的互补网络生物墨水可使挤出式生物3D打印过程中可打印性和生物相容性实现更好地兼容。此外，该策略也适用于其他可溶于明胶的生物墨水，这极大地扩展了该方法所适用的生物墨水范围，使其在不同的生物材料体系和3D打印方案中具有广泛的适用性。

1、互补网络生物墨水打印原理测试
该研究首先使用甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)作为代表性的生物墨水进行了打印及流变学测试，并通过向HAMA中添加明胶得到HAMA+互补网络生物墨水，从而改善了HAMA的可打印性。打印全程经历了低温挤出成形、光照交联、升温孵化三个过程，在保证了生物墨水中细胞地生物相容性的同时，维持了打印结构机械强度。

图4 互补网络生物墨水的3D打印过程

2、通用性验证
随后，该研究尝试将互补网络生物墨水的原理应用于其他聚合物上，包括基质衍生蛋白、基质衍生糖胺聚糖及其他天然多糖。为此，研究人员使用了12种可光交联生物墨水进行打印验证（HANB、GelMA、GelAGE等），并对这些互补网络生物墨水的3D打印参数进行了优化；最终证实了明胶成分对生物墨水的可打印性起到了决定性作用，且该策略具有一定的通用性。

图5 互补网络生物墨水库

3、机械性能维持效果验证
最后，研究人员对软水凝胶中明胶成分对机械性能的影响进行了测试，通过对比三种软水凝胶互补网络生物墨水(HANB+、GelMA+和GelAGE+)和其无明胶成分生物墨水打印结构的机械性能，最终得知明胶的加入对印刷结构的长期机械性能影响很小。

图6 3D打印软水凝胶结构

结语
本文用两个案例分别介绍了基于投影式光固化和挤出式的两种生物3D打印方法通用策略的相关研究。其都是通过对材料进行设计，首先满足打印过程中对于材料机械性能的需要，随后依据应用需求对打印出的结构进行后处理，得到合适的打印结构机械强度。两个案例中的方法都可用于不同材料体系中，具有很强的通用性。