解鎖體積生物打印新玩法，材料調(diào)控與多模式構(gòu)建

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物制造領(lǐng)域，體積生物打印（VBP）技術(shù)發(fā)展迅速，它能快速構(gòu)建復(fù)雜的細(xì)胞負(fù)載水凝膠結(jié)構(gòu)，為大規(guī)模組織工程和再生醫(yī)學(xué)帶來新機(jī)遇。通過斷層掃描制造原理，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高速度和高分辨率打印，對細(xì)胞和類器官也較為安全。然而，VBP技術(shù)的廣泛應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，斷層掃描打印對生物樹脂的光學(xué)和流變學(xué)等材料特性有特殊要求，精確調(diào)控光交聯(lián)動力學(xué)至關(guān)重要，否則會影響打印精度并導(dǎo)致非預(yù)期區(qū)域的光劑量積累。另一方面，實(shí)現(xiàn)便捷的多材料打印和構(gòu)建包含多種細(xì)胞群體的復(fù)雜組織的方法仍有待探索。此前雖有一些解決嘗試，但都存在局限性，如基于微凝膠的方法打印分辨率受限，使用明膠作為添加劑存在打印分辨率低和可打印時間窗口短的問題。  

來自荷蘭烏得勒支大學(xué)的Riccardo Levato教授團(tuán)隊(duì)通過工程化明膠大分子，研究不同分子量和改性程度的明膠對生物樹脂性能的影響，構(gòu)建了具有不同機(jī)械性能的GelMA樹脂庫，并確定了適用于懸浮浴打印和嵌入式擠出體積打?。‥mVP）的配方。此外，研究人員還利用多色光學(xué)VBP打印機(jī)，制造出復(fù)雜的多材料和多細(xì)胞幾何結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作以“Multi-material Volumetric Bioprinting and Plug-and-play Suspension Bath Biofabrication via Bioresin Molecular Weight Tuning and via Multiwavelength Alignment Optics”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，為VBP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的解決方案。

1. 不同GelMA水凝膠配方的機(jī)械性能及對打印參數(shù)的影響

通過制備不同分子量和改性程度的GelMA水凝膠，利用光流變測試、壓縮測試和3D打印實(shí)驗(yàn)等方法，研究不同GelMA水凝膠配方的機(jī)械性能以及它們對體積打印參數(shù)的影響。結(jié)果表明，不同配方的GelMA水凝膠在交聯(lián)動力學(xué)、存儲模量等方面存在差異，且分子量和改性程度會影響最佳打印光劑量和最終打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，如較高分子量和改性程度的配方通常需要較低的最佳打印光劑量，且能形成更硬的水凝膠。

圖1. 不同GelMA水凝膠配方的機(jī)械性能及其對體積打印參數(shù)的影響  

2. 溫度對GelMA體積打印參數(shù)及性能的影響
采用在不同溫度下對GelMA進(jìn)行體積打印實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合光流變測試的方法，研究溫度對GelMA體積打印參數(shù)、最終機(jī)械性能和交聯(lián)動力學(xué)的影響。結(jié)果顯示，溫度升高會使最佳打印光劑量增加，較低的溫度有利于提高水凝膠的剛度和加快交聯(lián)速率，例如GelMA 90p60在4°C下交聯(lián)后的溶膠分?jǐn)?shù)低于21°C時的情況，表明低溫能促進(jìn)更多的MA轉(zhuǎn)化。

圖2. 溫度對體積打印參數(shù)、最終力學(xué)性能和不同凝膠交聯(lián)動力學(xué)的影響  

3. GelMA材料特性對細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境的影響
以內(nèi)分泌胰腺組織工程為應(yīng)用目標(biāo)，通過制備不同GelMA材料并進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，利用應(yīng)力松弛測試、Live/Dead檢測等方法，研究GelMA材料特性對細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境的影響。結(jié)果表明，低分子量的GelMA（如90p60）能提供更柔軟的微環(huán)境，促進(jìn)胰島樣細(xì)胞的自我聚集和代謝活性，添加特定的細(xì)胞外基質(zhì)成分（如膠原蛋白IV）可進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞增殖和胰島素分泌。

圖3. 通過調(diào)節(jié)GelMA的分子量和功能化程度來優(yōu)化3D細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境，并模擬軟組織的機(jī)械特性。  

4. 多材料體積生物打印構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)
運(yùn)用順序打印不同GelMA材料的方法，結(jié)合多波長對準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)，研究多材料體積生物打印構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可行性和準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，該方法能夠成功打印出具有不同機(jī)械性能的多材料結(jié)構(gòu)，如交織環(huán)和手型模型等，且打印精度較高，平均尺寸偏差較小，證明了多材料VBP在構(gòu)建復(fù)雜細(xì)胞負(fù)載結(jié)構(gòu)方面的可行性。

圖4. 順序多材料體積打印

5. 低分子量明膠用于嵌入式擠出體積打印的性能研究
通過對比不同分子量明膠及GelMA作為支撐浴的性能，利用應(yīng)力/恢復(fù)測試、剪切應(yīng)變掃描測試等方法，研究低分子量明膠用于嵌入式擠出體積打?。‥mVP）的可行性和優(yōu)勢。結(jié)果表明，低分子量明膠（如90p60 GelMA）具有自愈合特性，可作為理想的支撐浴材料，能實(shí)現(xiàn)高分辨率和高形狀保真度的打印，且能通過EmVP快速制造復(fù)雜的微流體芯片和多細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

圖5. 低分子量明膠作為懸浮浴實(shí)現(xiàn)無縫全方位擠出打印和嵌入式擠出體積打?。‥mVP）

研究結(jié)論
體積生物打印（VBP）技術(shù)結(jié)合斷層掃描制造原理與光響應(yīng)生物樹脂，為大規(guī)模組織工程和再生醫(yī)學(xué)帶來了新的可能。然而，開發(fā)具有明確且可重復(fù)特性的生物樹脂仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，GelMA 的分子量、改性程度、溫度和聚合物濃度之間的相互作用對材料的可打印性和最終機(jī)械性能至關(guān)重要。精確調(diào)整光交聯(lián)動力學(xué)對于確保準(zhǔn)確的體積打印、避免過度交聯(lián)和打印缺陷十分關(guān)鍵。此外，通過工程化明膠大分子，制備出了具有廣泛特性和可打印性的生物樹脂，部分明膠和 GelMA 展現(xiàn)出的穩(wěn)定剪切屈服行為，使其可同時作為 VBP 樹脂和嵌入式打印的懸浮浴，無需復(fù)雜添加劑或增稠劑。這些材料可用于多色 VBP 打印機(jī)，構(gòu)建復(fù)雜的多材料和多細(xì)胞幾何結(jié)構(gòu)，為生物醫(yī)學(xué)和制藥研究中的組織模型構(gòu)建提供了新途徑。

挑戰(zhàn)與展望
在材料方面，需要進(jìn)一步探索和優(yōu)化生物樹脂，以滿足更復(fù)雜的組織工程需求，如模擬天然組織的多尺度結(jié)構(gòu)和功能。目前的打印分辨率和構(gòu)建體的復(fù)雜性仍有提升空間，且多材料打印中不同材料間的兼容性和界面結(jié)合問題還需解決。未來，有望開發(fā)出更先進(jìn)的生物墨水和打印技術(shù)，提高打印精度和速度，實(shí)現(xiàn)更高層次的組織構(gòu)建。結(jié)合微流體、生物傳感器等技術(shù)，可構(gòu)建更具生理相關(guān)性的體外組織模型，為藥物篩選、疾病研究等提供更有效的工具，推動再生醫(yī)學(xué)和生物制造領(lǐng)域的發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202409355