《Biofabrication》综述：体积生物打印进展

来源：EFL生物3D打印与生物制造

生物打印在组织工程、再生医学等领域极具应用潜力，但传统的逐层打印方式存在打印速度慢、表面质量差等问题，限制了其在生物制造领域的发展。此外，常用的光固化技术中，紫外线光源会损害细胞，不利于生物打印及后续的生物医学应用。  

广州医科大学生物医学工程学院谢茂彬教授团队在《Biofabrication》期刊发表综述“Advances in Volumetric Bioprinting”，该篇综述对体积生物打印（VBP）技术进行了全面探讨。文章介绍了VBP的打印原理和硬件设计，详细阐述了基于VBP的生物墨水的研究进展，包括多种生物墨水的配方及特性。同时，文中还展示了VBP在生物打印、多材料和多细胞打印、个性化药片制备以及玻璃制造等多个生物医学领域的应用成果。通过这些研究，为解决传统生物打印技术的痛点提供了新的思路和方法，推动了生物打印技术在生物医学领域的进一步发展。

1.生物打印的分类
分别介绍了喷墨式生打印技术，挤出式生物打印技术，光固化式生物打印技术和体积生物打印技术的成型特点。传统3D打印技术的逐层打印方式速度慢、表面质量差，且常用的紫外线光源会损害细胞。VBP技术应运而生，它能在数十秒内创建复杂的厘米级构建体，具有快速制造、非接触式打印和高细胞存活率等优势，在组织工程、再生医学等领域前景广阔。

图1. 根据打印维度将3D打印技术分类

2. 体积生物打印的硬件设计和算法
CAL系统：受CT图像重建过程启发，通过DLP从不同角度向旋转的树脂容器投射2D图像，使光敏树脂在设计位置固化。该系统可在30 - 300秒内制造厘米级构建体，打印过程包括导入模型文件、算法计算、图像优化和投影打印等步骤。
高分辨率体积制造系统：在CAL系统基础上增加反馈系统，通过相机记录打印过程并调整后续打印参数，可提高打印分辨率，能实现80µm的正特征和500µm的负特征精度。   
双色光聚合系统：如Xolography，使用两种不同波长的光束固化目标光树脂，具有比CAL更高的打印分辨率和体积生成速率。

图2. 体积打印技术的发展历程

图3. CAL体积生物打印装置示意图和三维结构的切片分析

图4. 通过集成反馈系统提高体积生物打印的分辨率

3. 体积式打印的光交联剂和生物墨水
VBP的发展依赖于合适的生物墨水。文中介绍了多种生物墨水，如丝素蛋白（SS和SF）与Ru/SPS组合的生物墨水，可打印复杂结构且具有独特性能；Gel - NB与PEG4SH混合的生物墨水，具备较好的细胞相容性；还有工程聚合物树脂、双光子光引发剂（DCPI）以及用于陶瓷打印的墨水等，各自满足不同的打印需求。

图5. 常见的光引发剂

图6. 部分体积打印墨水合成示意图

4. 体积生物打印的生物医学应用   
生物打印：多个研究团队利用VBP技术打印出多种组织模型，如人体耳廓、半月板、骨组织等，且细胞存活率高。还能打印器官类结构，为生物工厂的发展提供了可能。

图7. 体积生物打印的生物医学应用

多材料和多细胞打印：通过与其他3D打印技术结合，VBP在制造多材料和多细胞的异质组织结构方面取得进展，如构建多细胞血管模型和局部高密度细胞结构。   

图8. 体积生物打印的多材料和多细胞应用

个性化药片制备：研究人员使用体积打印机在短时间内制备出含药物的个性化药片，展现了VBP在制药领域的优势。   

图9. 体积打印技术制造药片

玻璃制造：VBP可用于制造二氧化硅玻璃和硅氧碳陶瓷，提高了制造效率和模型优化速度。

图10. 体积生物打印装置制备硅玻璃和碳化硅陶瓷

5. VBP的展望
通过硬件和软件的改进，打印分辨率和保真度将得以提升；开发新型生物墨水，可拓展其生物医学应用范围；多材料和多细胞 VBP 的发展，将实现更复杂组织和器官模型的构建；原位 VBP 也可能成为新的研究热点。此外，人工智能辅助打印技术将优化打印参数，补偿细胞散射效应，推动 VBP 在医疗设备制造等领域的广泛应用，为生物医学发展带来更多可能。

文章来源：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad0978