宾夕法尼亚大学团队：打印出具有功能性单体、复杂形状和多种材料的物体

来源： EFL生物3D打印与生物制造

3D打印，这个火出圈的技术可谓是得到了广泛发展，近年来已成为顶刊常客！今年的8月1号，来自美国宾夕法尼亚大学的Jason A. Burdick团队在《Science》上发表了一篇名为“Additive manufacturing of highly entangled polymer networks”的研究性论文，就连Science的Marc S. Lavine编辑都对其进行了高度评价：这种方法能够打印出具有功能性单体、复杂形状和多种材料的物体。

时隔2个月，这个团队又以“基于光刻技术的水凝胶3D打印”为主要内容的综述发表在了《Nature Reviews Bioengineering》上。在本综述中，该团队介绍了基于光的光刻3D打印方法来处理水凝胶，并提供了基于光刻的打印指南，从生物树脂选择到打印参数的优化。此外，作者重点介绍了水凝胶体外和体内生物医学应用的例子，其中已经利用了基于光刻的方法，并讨论了将水凝胶加工成具有多尺度组织的异质结构的努力。相关论文以“Lithography-based 3D printing of hydrogels”为题于2024年10月16日发表在《Nature Reviews Bioengineering》上。

本文的主要关键内容主要有以下5点：

（1）基于光刻的3D打印可实现高分辨率结构，且不会影响制造速度；   

（2）可以使用多种基于光刻的方法来处理水凝胶，以控制水凝胶的结构以及生化和生物物理特性；

（3）基于光刻的印刷涉及从树脂配方到后处理的一系列步骤；

（4）水凝胶打印技术在组织工程和药物筛选体外模型等领域有着广阔的应用前景；

（5）先进的光刻技术正在增加印刷结构的复杂性，并将其用途扩展到新的应用领域。

1.光聚合法
立体光刻和双光子聚合都使用沿槽表面或槽内连续或脉冲激光扫描，以线性逐点方式将光反应性树脂交联成3D物体（表1）。大多数立体光刻系统由高强度近红外激光源、聚焦高数值孔径物镜和平移台组成，以实现3D物体的构建。光固化树脂包括胶原蛋白、明胶和透明质酸，可用于带或不带细胞的打印。双光子聚合需要使用专门的光引发剂来实现自由基的产生，从而引发所需树脂体积内的交联反应。然而，立体光刻和双光子聚合提供的高分辨率通常以较长的制造时间（数小时）为代价。此外，较大结构（几毫米到几厘米）的制造受到用于将激光脉冲聚焦到树脂中的显微镜物镜的工作距离的限制，这会降低可扩展性。

数字光处理(DLP)是水凝胶最广泛使用的基于光刻的打印方法之一。它涉及自上而下或自下而上的光投影，以实现3D物体的逐步制造。基于光（365 nm 的紫外线或 405 nm的可见光）的液态树脂交联是通过使用数字微镜设备进行图案化光投影实现的。DLP的一个限制是阶梯效应：由于逐层制造，打印物体的表面上会出现可见的阶梯状图案。

体积增材制造(VAM)，是一种最近开发的基于光刻的方法，它依赖于使用光投影的体积光聚合，类似于3D相干断层扫描成像。含有光反应性树脂的桶的旋转与切片图像的投影同步，以允许从各个角度投射的图案中积累3D光剂量，从而导致体素的凝固，而不是顺序或连续固化层。

  

表1 光聚合法树脂要求及印刷特性

2.光聚合树脂
光聚合反应中使用的树脂是各种反应性分子和添加剂的溶液，这些分子和添加剂可实现凝胶化，即树脂在光照下从液体转变为固体。在基于DLP和VAM的水凝胶打印中，必须考虑树脂配方的关键参数（图1a、b）。打印机规格（例如光源和强度、切片层厚度、光学分辨率、构建板移动速度或槽旋转速度）也会对基于光刻的水凝胶打印产生相当大的影响（图1c）。

图1 影响光聚合的树脂和印刷参数

3.DLP打印分步指南
接着，作者提供了基于光刻技术打印水凝胶时需要考虑的步骤指南（图2）。鉴于低成本商用DLP打印机的普及，本指南重点介绍基于DLP的3D水凝胶打印，以便首次使用者能够轻松掌握，主要步骤包括选择聚合物、调整光学特性、获取工作曲线，优化打印分辨率、准备进行3D打印以及辅助硬化。   

图2 水凝胶数字光处理的分步指南

4.基于光刻技术的生物医学印刷
利用光刻技术处理水凝胶的应用范围很广，从生产微结构金属合金到培养肉。此外，它还可以应用于组织工程和再生医学的三维支架以及疾病建模和药物筛选的三维体外模型。这些应用可以包括以预定义的空间方式整合多种细胞类型或基质成分、设计孔隙或微通道以引导细胞浸润或治疗分子的特定放置。

（1）组织工程的3D支架
基于光刻技术的3D打印可生产高通量且精确的支架。这些支架可设计用于封装或接种细胞或促进细胞募集。这种基于水凝胶的医疗设备和植入物在组织修复、组织粘合剂、个性化生物材料和器官规模制造方面具有广泛的应用（图3a）。在个性化医疗方面，可以使用高分辨率医学成像（例如磁共振成像和计算机断层扫描）设计3D支架，然后通过光聚合打印。该过程以高精度在几秒到几分钟内完成，可用于组织替换或设计用于制造医疗设备（例如粘合剂和贴片）的模板。

（2）3D体外模型
生物3D打印组织可以作为筛选患者来源细胞中药物反应的平台，并包括能够预测药物性能的转录谱（图3b）。除了筛选之外，体外3D系统还可以模拟健康或患病组织，以研究发育和疾病进展。此类平台允许以受控方式研究细胞串扰和细胞与细胞外基质之间的相互作用

图3 基于光刻技术的水凝胶3D打印应用

5.增强印刷结构的复杂性
许多方法使用户能够灵活地在3D打印中对细胞和材料进行图案化。例如，可以在x-y和z方向上进行多材料光聚合（图4a）。基于光刻的印刷技术可以与其他制造方法相结合，例如微流体、挤压印刷、熔融电写和基于多光子的激光烧蚀（图4b）。打印后，水凝胶可以用生化线索进行后功能化，并且可以进行空间硬化或软化（图4c）。此外，水凝胶的灰度3D打印可用于控制机械异质性或创建生化线索的梯度（图4d）。光聚合还可以用多种协同或正交波长的光进行（图4e）；还可以通过4D打印水凝胶来设计响应性材料（图4f），这些水凝胶响应外部触发，随时间(Δt)发生尺寸或形状的动态变化。   

图4 增强3D打印水凝胶的复杂性

综上，光聚合可用于打印材料，用于设计体外模型或疗法。然而，仍有许多挑战需要解决，才能利用该技术设计出以可扩展和可重复的方式模拟生物学复杂性的水凝胶。

（1）扩大可用水凝胶树脂库
大多数光聚合树脂仅限于与(甲基)丙烯酸酯和 (甲基)丙烯酰胺进行链增长交联。随着新光化学的发展，还应强调可持续的合成路线，以制造树脂并在体外和体内测试其细胞和生物相容性。在评估印刷水凝胶的研究中使用的细胞和动物的年龄和性别也很重要。   

（2）精密打印
3D打印能够在空间上控制细胞模式和材料，这使得水凝胶能够重现生物系统的关键功能。在为特定应用设计水凝胶时，仍然可以选择细胞指导、自上而下的组织制造方法或细胞允许的自发自组装方法。3D打印可以生成复杂的结构，同时考虑表面形貌、曲率、孔径和形状，从而为控制生物反应提供了另一种方式；例如，宿主-免疫相互作用和体内组织整合。3D结构与材料生物特性之间的关系尚未得到充分研究，但应予以评估。此外，将基于光的3D图案与光遗传学工具相结合，可以实时监测微生理环境中基因表达的变化，以研究与疾病相关的基本途径。

（3）监管和商业化障碍
商业化将需要可用的方法来采购大量细胞和生物打印材料，以大规模合成生物聚合物，以及质量保证方法以确保法规遵从性。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9