微藻基材料的光固化 3D 打印：从生物原料到高分辨率构建体

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在材料科学与3D打印领域，传统的光固化3D打印墨水大多源于石化产品，这不仅加速了化石燃料的消耗，还会造成温室气体排放，且部分光引发剂具有（细胞）毒性，限制了其在生物医学等领域的应用。因此，开发完全基于生物、生物相容性好且能高分辨率打印的材料迫在眉睫。  

在此背景下，来自海德堡大学的Eva Blasco教授团队展开研究。他们利用微藻作为“生物工厂”，制备出适用于双光子3D激光打印的材料。团队筛选出Odontella aurita和Tetraselmis striata两种富含脂质的微藻，对其提取物进行功能化处理，得到可直接用于打印的墨水。该墨水以微藻中的叶绿素衍生物作为光引发体系，避免了使用非生物基和有毒的光引发剂。通过实验，团队研究了墨水的打印窗口、固化、分辨率等性能，并验证了3D打印结构的生物相容性。  

相关工作以“Printing Green: Microalgae-Based Materials for 3D Printing with Light”为题发表在《Advanced Materials》上，为可持续、生物基且生物相容性好的材料开发提供了新方向，有望推动光固化3D打印在生命科学领域的应用。

1. 本研究方法概述，通过筛选微藻菌株、提取脂质、功能化处理、进行双光子3D激光打印并对打印结构表征及生物相容性测试等一系列实验方法，研究了以微藻为原料制备可用于高分辨率3D打印材料的可行性。结果表明，成功从众多微藻中筛选出O. aurita和T. striata，其提取物功能化后可作为打印墨水，且打印的3D结构具有良好生物相容性。

图1. 本研究方法概述。  

2. 有前景微藻的鉴定及脂质提取，运用显微镜观察、气相色谱 - 火焰离子化检测（GC - FID）、核磁共振（1H - NMR）光谱和薄层色谱（TLC）等方法，研究了O. aurita和T. striata两种微藻的特性、脂质提取及功能化情况。结果显示，这两种微藻富含脂质，尤其是甘油三酯，且脂肪酸不饱和程度高。提取物经功能化后，O. aurita基墨水双键转化率达68%，T. striata基墨水每分子丙烯酸酯基团约2.8个。

图2. 有前景微藻的鉴定及脂质提取。  

3. 微藻基墨水的双光子激光3D打印，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）成像、纳米压痕等手段，结合改变激光功率和扫描速度进行打印实验，研究了微藻基墨水的打印性能。结果表明，微藻基墨水可成功用于双光子3D激光打印，打印结构双键在打印过程中发生聚合，两种墨水都有较宽的打印窗口，且T. striata基墨水打印结构的弹性模量和硬度更高，能实现亚微米分辨率。

图3. 微藻基墨水的双光子激光3D打印。  

4. 细胞活力测定，利用活/死细胞染色、免疫染色和显微镜观察等方法，以大鼠胚胎成纤维细胞（REFs）为研究对象，研究了3D打印微藻基材料的生物相容性。结果显示，细胞在两种微藻基材料表面均匀分布且活力高，细胞能在材料上良好铺展、黏附和增殖，证明微藻基材料具有良好的细胞相容性。

图4. 细胞活力测定。

研究结论
本研究证实了微藻作为独特且可持续的“生物工厂”，在开发适用于双光子3D激光打印的生物相容性材料方面的可行性。研究选取的O. aurita和T. striata两种微藻，被证明是富含甘油三酯的优质菌株。从微藻中提取的甘油三酯经分析和功能化处理，引入丙烯酸酯基团作为光反应单元。与传统配方不同，该研究采用的墨水基于生物且无添加剂，利用微藻提取物中固有的叶绿素衍生物，避免了使用非生物基和有毒的光引发剂。本研究深入探讨了打印窗口、固化、分辨率和最小特征尺寸等参数，成功制备出具有不同悬垂结构和亚微米分辨率的复杂3D几何结构。通过细胞活力研究，还验证了打印的微藻基结构的生物相容性。该研究凸显了微藻在双光子3D激光打印领域的巨大潜力，有望推动光基3D打印向可持续和功能性生物基材料方向发展。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202402786