如何開展生物3D打印課題？（案例篇-通用策略研究）

來源： EngineeringForLife

在生物3D打印相關(guān)研究中，通用性高、適用范圍廣的策略對于研究的開展具有較高的指導(dǎo)意義，其可在很大程度上縮短研究者的實(shí)驗(yàn)周期，為科研人員節(jié)省大量時間與精力。本期，從生物3D打印課題的通用策略研究出發(fā)，針對投影式光固化和擠出式這兩種打印方法，帶領(lǐng)大家深入了解相關(guān)內(nèi)容。

案例1：投影式光固化生物3D打印通用策略研究

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31002-2

該研究提出了一種基于分子裂解的生物3D打印方法，通過將甲基丙烯酸透明質(zhì)酸（HAMA）與甲基丙烯酰明膠（GelMA）混合，得到一種在打印時具有較高機(jī)械性能的生物墨水，從而實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)成形，并在打印結(jié)束后選擇性地對結(jié)構(gòu)中的HAMA進(jìn)行酶解，可使打印結(jié)構(gòu)變軟，進(jìn)而使打印結(jié)構(gòu)與人體組織的機(jī)械性能相匹配，與此同時維持了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和保真度，該策略可用于具有高生物相容性但機(jī)械強(qiáng)度欠佳的同類型生物墨水研究。

圖1 打印通用策略原理及廣泛的機(jī)械性能可調(diào)性

1、GelMA/HAMA混合生物墨水的可打印性研究
該研究通過對不同分子量、濃度配比的GelMA/HAMA混合生物墨水進(jìn)行打印測試，得到了不同材料條件下的可打印窗口。

圖2 GelMA/HAMA生物墨水的可打印性評估

2、打印結(jié)構(gòu)HAMA酶解實(shí)驗(yàn)
依據(jù)可打印性研究得到的不同材料條件下的打印窗口，可選擇合適配比的材料進(jìn)行不同組織結(jié)構(gòu)的打印，隨后對打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行HAMA酶解，可得到具有廣泛機(jī)械性能調(diào)控范圍的復(fù)雜軟組織模型結(jié)構(gòu)。通過對GelMA、HAMA及透明質(zhì)酸酶的成分調(diào)控，可得到與大腦、肝臟、肺、心臟等組織相似機(jī)械強(qiáng)度的打印結(jié)構(gòu)。

圖3 打印結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度與HAMA酶解程度的關(guān)系

案例2：擠出式生物3D打印通用策略研究

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc5529

該研究通過向打印材料中添加明膠，使其具備溫敏特性，從而制成互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水，通過利用明膠溫敏性可逆的特點(diǎn)來調(diào)節(jié)打印過程中不同階段生物墨水的機(jī)械強(qiáng)度，所制備的互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水可使擠出式生物3D打印過程中可打印性和生物相容性實(shí)現(xiàn)更好地兼容。此外，該策略也適用于其他可溶于明膠的生物墨水，這極大地?cái)U(kuò)展了該方法所適用的生物墨水范圍，使其在不同的生物材料體系和3D打印方案中具有廣泛的適用性。

1、互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水打印原理測試
該研究首先使用甲基丙烯酸透明質(zhì)酸(HAMA)作為代表性的生物墨水進(jìn)行了打印及流變學(xué)測試，并通過向HAMA中添加明膠得到HAMA+互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水，從而改善了HAMA的可打印性。打印全程經(jīng)歷了低溫?cái)D出成形、光照交聯(lián)、升溫孵化三個過程，在保證了生物墨水中細(xì)胞地生物相容性的同時，維持了打印結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度。

圖4 互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水的3D打印過程

2、通用性驗(yàn)證
隨后，該研究嘗試將互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水的原理應(yīng)用于其他聚合物上，包括基質(zhì)衍生蛋白、基質(zhì)衍生糖胺聚糖及其他天然多糖。為此，研究人員使用了12種可光交聯(lián)生物墨水進(jìn)行打印驗(yàn)證（HANB、GelMA、GelAGE等），并對這些互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水的3D打印參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；最終證實(shí)了明膠成分對生物墨水的可打印性起到了決定性作用，且該策略具有一定的通用性。

圖5 互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水庫

3、機(jī)械性能維持效果驗(yàn)證
最后，研究人員對軟水凝膠中明膠成分對機(jī)械性能的影響進(jìn)行了測試，通過對比三種軟水凝膠互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水(HANB+、GelMA+和GelAGE+)和其無明膠成分生物墨水打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，最終得知明膠的加入對印刷結(jié)構(gòu)的長期機(jī)械性能影響很小。

圖6 3D打印軟水凝膠結(jié)構(gòu)

結(jié)語
本文用兩個案例分別介紹了基于投影式光固化和擠出式的兩種生物3D打印方法通用策略的相關(guān)研究。其都是通過對材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先滿足打印過程中對于材料機(jī)械性能的需要，隨后依據(jù)應(yīng)用需求對打印出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后處理，得到合適的打印結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度。兩個案例中的方法都可用于不同材料體系中，具有很強(qiáng)的通用性。