Research：多材料投影式生物3D打印

來源：EngineeringForLife

準確重建自然生物組織的復雜結構是生物3D打印的長期目標。投影式3D打�。≒BP）在所有3D打印技術中具有更好的分辨率/制造時間（RTM）比，被認為是下一代生物打印的主流方案之一。盡管如此，使用具有不同力學性能的生物墨水進行標準化、高保真度和高分辨率的打印仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。這種局限性源于缺乏系統(tǒng)性的研究和成熟的打印設備。關于多材料生物3D打�。≒BBP）的許多關鍵問題尚未得到解答。例如：多材料生物墨水的聚合特性有何不同？哪些材料組合適合多材料打��？如何避免交叉污染？如何評估打印分辨率？打印系統(tǒng)應該如何架構？

為系統(tǒng)回答這些問題，EFL團隊在《Research》期刊上發(fā)表了題為“Printability in multi-material Projection-based 3D Bioprinting”的研究論文，浙江大學楊華勇院士、賀永教授為共同通訊作者，博士生何超凡為第一作者。

本文首先總結了多材料PBBP的基本框架。該框架涵蓋打印設備、材料要求、墨水切換、聚合特性、交叉污染、分辨率評估等六個關鍵方面。在此基礎上，設計并發(fā)明了基于料槽切換式的多材料打印裝備，可支持六種材料同步打印，提出了流體控制沖洗-負壓輔助毛細吸附的協(xié)同清潔方法，集成了專用的生物打印操作系統(tǒng)、力學監(jiān)控系統(tǒng)、可視化模塊、激光校準裝置和柔性剝離機構，以確保打印設備的穩(wěn)定性和可操作性。   

圖1 多材料投影式生物3D打印基本框架與標準流程

多材料墨水的聚合特性
水凝膠因其高含水量、優(yōu)異的生物相容性以及可降解性，在生物墨水領域得到了廣泛的應用。然而，水凝膠分子的自然擴散特性導致不同墨水之間容易發(fā)生交叉污染，這對構建具有復雜界面的生物結構構成了重大挑戰(zhàn)。目前，對于多材料生物墨水的光聚合行為，尤其是界面處的光聚合動力學和機理，尚缺乏深入的理解。本研究系統(tǒng)地探究了多材料生物墨水的光聚合行為與特性。實驗結果顯示，與單組分水凝膠相比，多組分水凝膠的凝膠點時間明顯提前，即表現(xiàn)出聚合加速行為。但這一現(xiàn)象并非源于雙鍵轉化率的絕對值或增長速率的提升。通過對平均交聯(lián)步數(shù)的測試發(fā)現(xiàn)，在固化前期，多組分墨水的單體分子發(fā)生了更多的鏈增長反應。這表明不同光敏基團之間存在協(xié)同作用，有利于鏈式反應的快速發(fā)生。水凝膠的微觀孔隙結構進一步證實了混合墨水發(fā)生了更高頻率的鏈增長反應，不同單體的相互嵌套促進了三維聚合網(wǎng)絡的形成。   

圖2 多材料生物墨水的聚合特性

多材料PBBP可打印標準
人體組織往往具有軟硬結合的特性，例如骨骼和軟骨、皮膚和肌肉等。為了更真實地模擬組織微環(huán)境，多材料生物3D打印往往會使用具有不同力學特性的水凝膠來模擬不同的組織。然而，力學強度差異過大的水凝膠可能會面臨力學失配與界面結合強度不足的問題（圖4.6）。因此，探究軟硬復合水凝膠的界面結合強度規(guī)律，并判斷材料組合是否適合于多材料3D打印對于優(yōu)化打印工藝非常重要。本文提出了基于斷裂能的界面結合強度判斷標準，并作為可打印判據(jù)。探究了界面結構的過渡區(qū)域（TR）和面積比（AR）對可打印窗口的影響規(guī)律。   

圖3 多材料PBBP的可打印標準

多材料PBBP的交叉污染
多材料PBBP的交叉污染可以分為滲透污染和殘留污染兩類。滲透污染是指固化后的水凝膠分子網(wǎng)絡易于被其他材料滲透。這是幾乎不可避免的。因此，為了探究粘性生物墨水在水凝膠聚合網(wǎng)絡中的滲透規(guī)律，建立了粘性生物墨水滲透測試標準方案，并研究了水凝膠分子量和滲透物質分子量對滲透率的影響。殘留污染則是指在墨水切換過程中，殘留在打印結構表面的其他墨水會污染后續(xù)裝載在不同料槽中的墨水，導致墨水性能變化。可通過適當?shù)那逑闯绦蛴行П苊�。本文詳細測試并優(yōu)化了流體沖洗和負壓輔助毛細吸附的工藝參數(shù)，有效避免了交叉污染。

圖4 多材料PBBP的交叉污染

多材料PBBP的打印分辨率
打印分辨率是評估3D打印技術制造能力的關鍵指標。然而，現(xiàn)有的打印分辨率研究主要集中于傳統(tǒng)單材料打印，對于多材料PBBP打印的分辨率誤差來源和評估標準尚缺乏系統(tǒng)研究。這是因為多材料打印引入了多種具有不同特性的材料，使得打印過程更加復雜，導致影響因素之間相互耦合，難以準確分析分辨率誤差的來源和制定有效的評估標準。在多材料PBBP中，打印誤差來源主要有以下三類：A類分辨率劣化：光固化不足或過度固化導致的尺寸偏差；B類分辨率劣化：層內多材料打印的相互影響；C類分辨率劣化：墨水交叉污染導致的分辨率下降。本文構建了交替輻條結構的多材料打印分辨率標準測試模型對打印分辨率進行系統(tǒng)測試與分析。   

圖5 多材料PBBP的打印分辨率

多材料打印效果
為驗證層間和層內多材料打印打印質量，成功制備了具有不同編織、嵌套和懸垂特征的晶格結構，打印結構展現(xiàn)出清晰的材料界面、高結構保真度和理想的力學性能。此外，還設計并打印了仿生氣管模型和肝小葉模型，該模型由兩種細胞負載生物墨水（RFP-hCMEC和GFP-PAN02）構成（圖6A），打印結構中細胞界面清晰，結構保真度良好。  

圖6 多材料打印設備

參考資料：
https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0613