光固化打印新技術(shù)的實用與展望

光，在人類文明史上極其重要。我們從發(fā)現(xiàn)光、了解光、研究光、到使用光，經(jīng)歷了千百年的技術(shù)變革。3D打印也無可避免的使用了光，其無接觸式、靈活的交聯(lián)方法讓許多研究者對其趨之若鶩。本文帶您深入淺出的看懂這種技術(shù)和未來的發(fā)展空間。

基于光固化的打印技術(shù)可在精確控制的光照下固化光敏聚合物形成結(jié)構(gòu)。光固化技術(shù)除了能運用于化工，材料等領(lǐng)域，最前沿的應(yīng)用莫過于其在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用了。

神經(jīng)系統(tǒng)的疾病，比如阿爾茲海默癥，帕金森，癲癇等，影響了全球約1/6的人口，之前人們對其病因的起因和進展研究也因研究大腦原位的傳統(tǒng)技術(shù)的局限性而受到阻礙。新的技術(shù)和方法能夠利用實驗室中生長的3D打印的微型“類大腦”神經(jīng)元系統(tǒng)來研究大腦（上普學(xué)術(shù) | 微型腦打印為腦腫瘤治療提供突破口）。研究人員而無需采用活體動物，就可以研究神經(jīng)元是如何交流和自我組織的。在“類大腦“等類器官模型的建立的過程中，被打印成類器官的細胞通常被包裹在水凝膠生物材料中。理想的生物材料是在三維環(huán)境中培養(yǎng)的目標組織的仿生，模擬目標組織的機械、結(jié)構(gòu)、生化和擴散特性，同時保持與細胞的生物相容性。比如甲基丙烯酸透明質(zhì)酸(methacrylated hyaluronic acid)——HAMA就是一種適合打印神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)締組織的細胞外基質(zhì)的液態(tài)生物材料（生物墨水）。

生物3D打印需要經(jīng)歷一個從生物墨水到通過光引發(fā)的自由基聚合反應(yīng)實現(xiàn)的半固態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相變——光固化，以形成相應(yīng)的生物材料結(jié)構(gòu)。在培養(yǎng)和打印神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)締組織的研究過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)較軟的HAMA 3D打印結(jié)構(gòu)驅(qū)使神經(jīng)前體細胞 （NPC）朝向神經(jīng)表型，而具有類似于成人腦的較硬機械性質(zhì)的HAMA 3D打印結(jié)構(gòu)有利于NPC分化成星形膠質(zhì)細胞。因此，如何控制好基于生物墨水的3D打印結(jié)構(gòu)的強度就對于后期神經(jīng)系統(tǒng)的研究有著重要的意義。

Antill-O’Brien et al. Layer-By-Layer: The Case for 3D Bioprinting Neurons to Create Patient-Specific Epilepsy Models. Materials (Basel). 2019 Oct; 12(19): 3218. 

較好的光固化技術(shù)可以有效的控制/調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能和降解度，生物相容性更好，并可按需增強打印結(jié)構(gòu)的彈性和延長儲存時間；而目前采用的光固化技術(shù)，低粘度的材料不容易成型，光的強度和光照時間不容易精確條件，這使得打印結(jié)構(gòu)的硬度和強度難以控制，難以形成精細結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

作為一種理想的3D打印材料，它應(yīng)該具有足夠好的機械強度和結(jié)構(gòu)完整性，同時應(yīng)該具有很好的生物相容性，因此更適合使用天然的生物材料來彌補合成的高分子材料的不足。但是天然的生物材料在可打印性和機械特性上卻存在不足，而且，細胞的生物活性也會因3D生物材料的結(jié)構(gòu)和機械性能受到重要影響。光固化是最有前途的生物制造技術(shù)之一——它無創(chuàng)，且使得整個打印過程簡單化：低粘度材料擠出后就可以馬上光照成型，光強度，曝光時間和光照速度都可調(diào)節(jié)，也可局部曝光。

適合同步光固化的生物材料可以使用紫外光固化。許多天然生物材料比如明膠、羥基磷灰石、絲素蛋白、果膠等通過丙烯酸改性可以在紫外365nm波長交聯(lián)并且3D打印出來。

3D 打印可以通過多種技術(shù)方法：比如噴墨（ink-jet），激光輔助（laser-based printing, 如stereolithography）或者擠出式（extrusion）。噴墨式采用熱或壓電傳動裝置（piezoelectric actuator）固化，打印受限于低粘度材料；激光輔助式打印雖然打印無需支持材料，但可使用的墨水非常有限；而擠出式打印適合的生物材料非常多。

從上面研究成果的表中可以看到擠出式3D打印機適用的生物墨水種類最為豐富，而下面這篇研究成果總結(jié)出，在這些適合擠出式打印技術(shù)的生物墨水（水凝膠）中，GelMA（甲基丙烯酸酐化明膠）、GMHA（HAMA）、膠原又可以采用同步光固化的方法進行打印。

Choi and Cha. Recent advances in the development of nature-derived photocrosslinkable biomaterials for 3D printing in tissue engineering. Biomaterials Research 2019; 23:18. 

應(yīng)用案例

軟骨缺損的修復(fù)在臨床治療中具有很大的挑戰(zhàn)性。華南理工大學(xué)和美國俄克拉荷大學(xué)的科學(xué)家構(gòu)建出了一種新型的納米盒修飾的雙層水凝膠結(jié)構(gòu)，可以有效地在特定位置修復(fù)骨和軟骨的缺損，并將研究成果發(fā)表于Biomaterials雜志。

該結(jié)構(gòu)接種有骨髓來源的間充質(zhì)干細胞（MSCs）。兩個水凝膠層由共價結(jié)合了不同骨分化誘導(dǎo)劑和β-環(huán)糊精分子的HAMA，GelMA等預(yù)水凝膠成分組成。這兩層預(yù)水凝膠結(jié)構(gòu)分別經(jīng)UV光引發(fā)后，位于兩層的不同的分化誘導(dǎo)劑從β-環(huán)糊精的小孔結(jié)構(gòu)中持續(xù)釋放，分別使得兩層水凝膠結(jié)構(gòu)中的MSCs分化成軟骨和軟骨下骨，最終使得關(guān)節(jié)相應(yīng)缺損處得以修復(fù)再生。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功運用到缺損兔骨軟骨修復(fù)的動物模型實驗中，將為生物材料的相特異性藥物釋放和組織修復(fù)開辟了一條新的化學(xué)途徑。

Liu. et al. Molecular recognition-directed site-specific release of stem cell differentiation inducers for enhanced joint repair. 2020; 232: 119644. 

創(chuàng)傷修復(fù)

Xu et al. On Low-Concentration Inks Formulated by Nanocellulose Assisted with Gelatin Methacrylate (GelMA) for 3D Printing toward Wound Healing Application. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 8838−8848.

心臟瓣膜

生物3D打印技術(shù)可以制備出解剖上精確的、具有異質(zhì)機械特性且?guī)в屑毎��?strong>工程瓣膜。理想的工程瓣膜可以與病人組織結(jié)合并生長，因此可作為活體瓣膜替代物在未來潛在的治療方案中發(fā)揮作用。

Duan et al. 3D Printed Trileaflet Valve Conduits Using Biological Hydrogels and Human Valve Interstitial Cells. Acta Biomater. 2014 May; 10(5): 1836–1846.  

康奈爾大學(xué)的科學(xué)家使用基于HAMA/GelMA的水凝膠打印出簡化的含人主動脈瓣膜間質(zhì)細胞（HAVIC）的心臟瓣膜導(dǎo)管�？茖W(xué)家通過優(yōu)化水凝膠成分的濃度，并經(jīng)過UV光固化交聯(lián)構(gòu)建出有合適粘度和強度的支架模型。包裹在瓣膜導(dǎo)管模型中的HAVIC具有較高的活性，并保持了成纖維細胞的表型，且通過沉積膠原和粘多糖重建了初始基質(zhì)�？茖W(xué)家們還使用海藻酸鈉/明膠水凝膠生物打印具有解剖結(jié)構(gòu)和活細胞的3D心臟瓣膜。

除了以上領(lǐng)域，采用光固化的3D生物打印技術(shù)可應(yīng)用于神經(jīng)生物學(xué)，血管，皮膚，角膜組織工程和器官芯片的研究。它已經(jīng)成為3D生物打印過程中一個不可忽略的重要技術(shù)。