3D打印技術(shù)在可見(jiàn)光下開(kāi)發(fā)4D生物打印組織支架中的應(yīng)用

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用光構(gòu)筑生命應(yīng)用案例系列！

我們深入了解一項(xiàng)成功的應(yīng)用案例，展示了通過(guò)結(jié)合光吸收劑引起的光衰減和差異交聯(lián)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的快速形狀變化，使其具備結(jié)構(gòu)各向異性的特性。

該研究利用了3D打印機(jī) LUMEN X 3D生物打印技術(shù)在可見(jiàn)光下（405納米）進(jìn)行打印，開(kāi)發(fā)一種用于4D生物打印的細(xì)胞相容性生物墨水配方，可制備用于組織工程的具有形狀變化能力和載有細(xì)胞的水凝膠結(jié)構(gòu)。
 

客戶應(yīng)用案例【四】

Visible Light-Based 4D-Bioprinted Tissue Scaffold

新興的四維（4D）打印策略為傳統(tǒng)的三維（3D）生物打印結(jié)構(gòu)提供了改進(jìn)的替代方案，以提高組織工程應(yīng)用的合規(guī)性和簡(jiǎn)單性。然而，關(guān)于通過(guò)數(shù)字光處理（DLP）制備的簡(jiǎn)單3D生物打印結(jié)構(gòu)的報(bào)道很少。

本研究開(kāi)發(fā)了一種生物墨水配方，由明膠甲基丙烯酰（GelMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDM）與光引發(fā)劑和光吸收劑的混合物組成，并通過(guò)基于DLP的3D生物打印在可見(jiàn)光下進(jìn)行打�。�405納米）。通過(guò)差異交聯(lián)效應(yīng)，結(jié)合光吸收劑引起的光衰減，這些3D生物打印結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)各向異性，并在水合后快速發(fā)生形狀變形（低至約30分鐘）。通過(guò)控制板材厚度和帶角度的股線的結(jié)合，對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了精確控制。此外，4D生物打印凝膠支持細(xì)胞的活力和增殖。綜上所述，本研究引入了一種細(xì)胞相容性的生物墨水配方，用于4D生物打印，以制備形狀變形的水凝膠，可用于組織工程應(yīng)用。
 

4D生物打印技術(shù)：解鎖復(fù)雜組織模擬和功能性器官的未來(lái)

3D生物打印技術(shù)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)組織模擬結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)修復(fù)/再生的功能性組織/器官，并創(chuàng)建用于藥物發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的疾病模型。然而，目前的3D生物打印方法存在時(shí)間控制方面的限制，無(wú)法重建動(dòng)態(tài)組織的復(fù)雜性和功能性。為解決這一問(wèn)題，新興的4D打印技術(shù)通過(guò)提供對(duì)打印支架變形的時(shí)間控制來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的平面外組織結(jié)構(gòu)。

4D打印利用溫度、溶劑、光、磁場(chǎng)等外部線索來(lái)調(diào)整3D打印支架的配置和屬性，適用于各種材料，并可在生物打印、藥物輸送等領(lǐng)域發(fā)揮作用。然而，一些展示的4D打印結(jié)構(gòu)通常使用細(xì)胞毒性材料或刺激物，以限制其在生物打印中的應(yīng)用。4D生物制造策略包括將細(xì)胞或組織結(jié)構(gòu)植入打印結(jié)構(gòu)中，然后通過(guò)細(xì)胞友好的刺激來(lái)實(shí)現(xiàn)后續(xù)轉(zhuǎn)化，其中幾何變化是重點(diǎn)研究的方向。

4D生物打印具有許多優(yōu)勢(shì)，包括能夠模擬組織動(dòng)力學(xué)、快速構(gòu)建多細(xì)胞層狀管狀幾何結(jié)構(gòu)（如血管移植物）、改善組織結(jié)構(gòu)的功能反應(yīng)以及開(kāi)發(fā)微創(chuàng)外科手術(shù)。對(duì)于組織工程、軟機(jī)器人、執(zhí)行器、傳感、藥物輸送等應(yīng)用，變形水凝膠的生物相容性和溫和的印刷條件特別有吸引力。由天然生物材料制備的3D生物打印結(jié)構(gòu)采用水合基質(zhì)，其機(jī)械特性與細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)非常相似，可以提供細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)以增強(qiáng)活力、增殖、分化和組織特異性ECM沉積。然而，由天然生物材料制備的3D生物打印組織結(jié)構(gòu)無(wú)法響應(yīng)外部線索和靜態(tài)性質(zhì)，從而限制了它們?cè)诠こ虅?dòng)態(tài)組織中的應(yīng)用。此外，軟水凝膠不適合打印復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，如懸垂和流明。為克服這些挑戰(zhàn)，4D生物打印可以通過(guò)提供對(duì)細(xì)胞友好的線索最終創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀。
 

圖1：印刷結(jié)構(gòu)的生物墨水可印刷性、流變學(xué)和機(jī)械特性。a） 用于DLP 3D生物打印機(jī)的打印參數(shù)；b） STL模型的不同設(shè)計(jì)在優(yōu)化打印條件下的可打印性（比例尺=5mm）；c） 3D打印凝膠的振幅（i）和頻率掃描（ii）圖；d） 3D打印凝膠在5-25%應(yīng)變范圍內(nèi)的壓縮模量。