華東交通大學：逐點光固化原理的低成本生物3D打印設備

生物3D打印機通常價格都比較貴，有沒有原理簡單、小巧、成本低，適合于入門級的打印方法？EFL一直認為生物3D打印只有逐步成為生物材料、再生醫(yī)學類研究人員標配的實驗儀器，這個行業(yè)才會有蓬勃的發(fā)展動力，這也是EFL生物打印機研發(fā)一直堅持的理念及愿景。

近期，華東交通大學的劉燕德教授團隊聯(lián)合EFL團隊在Bioactive Materials上發(fā)表了題為“Lightweight 3D bioprinting with point by point photocuring”的文章，報道了一種基于立體光刻的輕量級3D生物打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結構小巧（30*30*20cm）、造價低廉等諸多優(yōu)點，適合入門級應用。研究人員系統(tǒng)地探索了逐點固化3D生物打印工藝并進行了細胞打印，證明即使是這么簡單的系統(tǒng)在保證打印精度的同時也能夠很好的維持細胞活性。

首先，研究人員依據(jù)立體光刻原理搭建了一套3D生物打印系統(tǒng)（圖1），其可用于甲基丙烯酰基改性的水凝膠的3D生物打印。

圖1 立體光刻生物打印系統(tǒng)的設計

其次，研究人員對所用甲基丙烯酰明膠（GelMA）材料的流變學性能進行了測試，針對水凝膠的可光固化性能及打印時的材料模量進行了定性的分析。

圖2 打印材料的流變學測試

隨后研究人員對立體光刻打印成型工藝過程進行了系統(tǒng)性的探索。針對水凝膠固化成光斑的過程（圖3）及固化的點光斑連接成三維結構的過程（圖4）進行了分析，最終得到最佳打印參數(shù)窗口。

圖3 水凝膠固化成光斑過程中的可打印性分析

圖4 固化的點光斑連接過程中的可打印性分析

根據(jù)所得到的最佳打印參數(shù)窗口，研究人員利用打印系統(tǒng)制造出了復雜幾何結構（圖5）及仿生結構（圖6），從而實現(xiàn)GelMA水凝膠的精確控型。隨后研究人員對打印出的網(wǎng)格支架結構進行了壓縮測試（圖7）。

圖5 復雜幾何結構

圖6 仿生結構

圖7 打印結構力學測試

最后，為了滿足生物3D打印中生物相容性的要求，研究人員進行了水凝膠細胞打印實驗。從實驗結果（圖8、圖9）可以看出打印的細胞經(jīng)過5天的培養(yǎng)后能夠保持良好活性，且出現(xiàn)了一定的增殖及伸展的情況，這驗證了該生物打印方法具有較好的生物相容性。

圖8 細胞活性分析

圖9 載細胞支架骨架染色

綜上所述，該研究開發(fā)了一種輕量級的立體光刻生物打印系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)性探索逐點固化的3D生物打印方法解釋了水凝膠光固化的成型機理。該立體光刻生物打印系統(tǒng)為制造具有優(yōu)異形狀保真度的可光交聯(lián)的生物墨水提供了便攜、低成本的策略。該策略在藥物篩選、病理機制研究和生物疾病模型構建中具有較好的應用前景。

論文：“Lightweight 3Dbioprinting with point by point photocuring”已在Bioactive Materials期刊在線刊登。華東交通大學張鵬碩士、浙江大學王昊軒碩士為共同第一作者，浙江大學機械工程學院賀永教授、高慶博士后、華東交通大學機電與車輛工程學院劉燕德教授為共同通訊作者。


論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2452199X20302747