稀土上转换纳米颗粒(UCNPs)用于生物体内的无创3D打印

来源：Lanthanides and Biomass

在医疗方面，某些疾病需在患者体内植入生物医疗材料。但此类装置的植入过程存在手术并发症和感染的风险。在本篇文章中，学者开发了一种上转换纳米颗粒（UCNP）辅助的3D生物打印方法，以实现无需侵入性手术的体内成型。合理设计的UCNP可将穿透皮肤组织的近红外(NIR)光子转换为蓝紫光发射（300-500nm），在体内诱导单体聚合固化。使用熔融沉积建模协调框架，近红外激光的精确预定轨迹能够制造具有定制形状的植入式医疗设备。成功实现了无创骨折固定支架的3D生物打印，从而展示了一种用于生物医学治疗的全新体内成型方法。

这是一种基于ucnps辅助聚合过程的无创三维生物打印骨折固定系统，如图1所示。采用三维坐标定位框架固定NIR连续波（CW）激光器，对三维支架模型采用计算机辅助设计（CAD）精确控制NIR的运动。利用UCNPs作为内置固化光源，生物相容性水凝胶单体，如明胶甲基丙烯酰基（凝胶MA）和丙烯单体，可以在NIR辐照下有效聚合。在这项研究中，一个含有UCNPs作为生物墨水的单体溶液在体内被非侵入性地打印成一个定制的形状。此研究设计了核壳结构稀土纳米颗粒（NaYF4：Tm3+@NaYbF4@NaYF4）来调制蓝紫光发射，实现高效的光聚合，如图2所示。

所设计的UCNPs的不同核壳结构的发光性能和光固化效果如图3所示，在此基础上优化了UCNPs。学者还研究了UCNPs在光引发剂吸收范围内的PL性能（图3d）。发现光引发剂在蓝紫范围内表现出吸收，这与所得到的UCNPs的PL光谱高度重叠。NIR诱导的UCNPs的光聚合性能如图3e所示。在NIR CW激光激发下，相应的UCNPs产生的蓝紫光可以被光引发剂吸收，产生自由基，促进单体聚合。所探索的生物油墨由树脂单体（凝胶MA、丙烯），光引发剂，以及用于NIR三维光固化的UCNPs组成。经测试发现光固化率随曝光时间和NIR光功率的增加而增加。当NIR激光器的功率超过2.5W时，在辐照后10 s内固化率达到最大值（图3f）。因此，设计的UCNPs有效地启动了NIR诱导的聚合，并且减少了紫外线在体内塑造过程中对细胞造成的损伤。

该体系能够实现复杂三维聚合物结构的形成。首先，利用NX10.0设计了一个三维模型，并通过Cura软件和控制计算机定义了激光器的运动路径。接下来，将相应的生物墨水放置在坐标系原点的玻璃皿中。在计算机上使用Repetier软件控制激光运动路径，完成不同模型的打印。

使用该方法可打印出适合不同骨折的固定支架，如斜向骨折（图4a)、粉碎性骨折（图(4b)。在这里，骨骼可以在骨折部位原位准确形成，并完美地贴合到骨表面，从而确保为骨折修复过程提供更稳定的支撑。此外，学者使用ucnps辅助的3D生物打印技术，无创制备出定制的固定支架。首先，利用计算机断层扫描（CT）对大鼠进行三维骨骼重建，获得骨折位置的准确三维坐标。随后，根据骨折条件设计了支架的三维模型。实验室大鼠体内骨折的图像如图4c所示。随后，将生物墨水溶液注射到实验室大鼠的骨折部位（图4d）。在计算机控制下，NIR沿着计划的路径形成生物墨溶液（图4e）。使得支架在体内无创固定在骨折部位（图4f）。这表明，ucnps辅助的无创体内NIR 3D生物打印技术具有在原位制备复杂组织用于器官重建的潜力，且医源性损伤最小。

本研究中选择的水凝胶材料具有生物相容性，已广泛应用于生物医学应用。细胞相对活力实验表明，生物墨水具有良好的细胞相容性，即使使用不同浓度的生物墨水，细胞活力也没有显著下降。

总之，基于ucnps辅助的NIR聚合过程，学者开发了一种使用协调框架的无创三维生物打印成型方法。合理设计了核壳UCNPs，在光引发剂的吸收光谱范围内提供高效的蓝紫发射。利用协调定位框架，实现NIR激光沿预定轨迹的精确运动，基于给定的三维模型制作物体。因此，定制支架可以在局部骨折部位皮下注射的生物墨水在体内无创打印，用于骨折修复，显示了在临床或医学研究中的潜在应用。