光固化打印新技術的實用與展望

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，經歷了千百年的技術變革。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和未來的發(fā)展空間。

基于光固化的打印技術可在精確控制的光照下固化光敏聚合物形成結構。光固化技術除了能運用于化工，材料等領域，最前沿的應用莫過于其在生命科學和醫(yī)學領域的應用了。

神經系統(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)技術的局限性而受到阻礙。新的技術和方法能夠利用實驗室中生長的3D打印的微型“類大腦”神經元系統(tǒng)來研究大腦（上普學術 | 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、結構、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酸(methacrylated hyaluronic acid)——HAMA就是一種適合打印神經系統(tǒng)結締組織的細胞外基質的液態(tài)生物材料（生物墨水）。

生物3D打印需要經歷一個從生物墨水到通過光引發(fā)的自由基聚合反應實現(xiàn)的半固態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡的相變——光固化，以形成相應的生物材料結構。在培養(yǎng)和打印神經系統(tǒng)結締組織的研究過程中，科學家們發(fā)現(xiàn)較軟的HAMA 3D打印結構驅使神經前體細胞 （NPC）朝向神經表型，而具有類似于成人腦的較硬機械性質的HAMA 3D打印結構有利于NPC分化成星形膠質細胞。因此，如何控制好基于生物墨水的3D打印結構的強度就對于后期神經系統(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. 

較好的光固化技術可以有效的控制/調節(jié)材料的力學性能和降解度，生物相容性更好，并可按需增強打印結構的彈性和延長儲存時間；而目前采用的光固化技術，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，這使得打印結構的硬度和強度難以控制，難以形成精細結構，復雜結構。

作為一種理想的3D打印材料，它應該具有足夠好的機械強度和結構完整性，同時應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生物材料的結構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出，在這些適合擠出式打印技術的生物墨水（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. 

應用案例

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

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

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

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打印技術可以制備出解剖上精確的、具有異質機械特性且?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.  

康奈爾大學的科學家使用基于HAMA/GelMA的水凝膠打印出簡化的含人主動脈瓣膜間質細胞（HAVIC）的心臟瓣膜導管。科學家通過優(yōu)化水凝膠成分的濃度，并經過UV光固化交聯(lián)構建出有合適粘度和強度的支架模型。包裹在瓣膜導管模型中的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�？茖W家們還使用海藻酸鈉/明膠水凝膠生物打印具有解剖結構和活細胞的3D心臟瓣膜。

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