微藻基材料的光固化 3D 打印：從生物原料到高分辨率構(gòu)建體

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在材料科學與3D打印領域，傳統(tǒng)的光固化3D打印墨水大多源于石化產(chǎn)品，這不僅加速了化石燃料的消耗，還會造成溫室氣體排放，且部分光引發(fā)劑具有（細胞）毒性，限制了其在生物醫(yī)學等領域的應用。因此，開發(fā)完全基于生物、生物相容性好且能高分辨率打印的材料迫在眉睫。  

在此背景下，來自海德堡大學的Eva Blasco教授團隊展開研究。他們利用微藻作為“生物工廠”，制備出適用于雙光子3D激光打印的材料。團隊篩選出Odontella aurita和Tetraselmis striata兩種富含脂質(zhì)的微藻，對其提取物進行功能化處理，得到可直接用于打印的墨水。該墨水以微藻中的葉綠素衍生物作為光引發(fā)體系，避免了使用非生物基和有毒的光引發(fā)劑。通過實驗，團隊研究了墨水的打印窗口、固化、分辨率等性能，并驗證了3D打印結(jié)構(gòu)的生物相容性。  

相關(guān)工作以“Printing Green: Microalgae-Based Materials for 3D Printing with Light”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，為可持續(xù)、生物基且生物相容性好的材料開發(fā)提供了新方向，有望推動光固化3D打印在生命科學領域的應用。

1. 本研究方法概述，通過篩選微藻菌株、提取脂質(zhì)、功能化處理、進行雙光子3D激光打印并對打印結(jié)構(gòu)表征及生物相容性測試等一系列實驗方法，研究了以微藻為原料制備可用于高分辨率3D打印材料的可行性。結(jié)果表明，成功從眾多微藻中篩選出O. aurita和T. striata，其提取物功能化后可作為打印墨水，且打印的3D結(jié)構(gòu)具有良好生物相容性。

圖1. 本研究方法概述。  

2. 有前景微藻的鑒定及脂質(zhì)提取，運用顯微鏡觀察、氣相色譜 - 火焰離子化檢測（GC - FID）、核磁共振（1H - NMR）光譜和薄層色譜（TLC）等方法，研究了O. aurita和T. striata兩種微藻的特性、脂質(zhì)提取及功能化情況。結(jié)果顯示，這兩種微藻富含脂質(zhì)，尤其是甘油三酯，且脂肪酸不飽和程度高。提取物經(jīng)功能化后，O. aurita基墨水雙鍵轉(zhuǎn)化率達68%，T. striata基墨水每分子丙烯酸酯基團約2.8個。

圖2. 有前景微藻的鑒定及脂質(zhì)提取。  

3. 微藻基墨水的雙光子激光3D打印，采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）成像、納米壓痕等手段，結(jié)合改變激光功率和掃描速度進行打印實驗，研究了微藻基墨水的打印性能。結(jié)果表明，微藻基墨水可成功用于雙光子3D激光打印，打印結(jié)構(gòu)雙鍵在打印過程中發(fā)生聚合，兩種墨水都有較寬的打印窗口，且T. striata基墨水打印結(jié)構(gòu)的彈性模量和硬度更高，能實現(xiàn)亞微米分辨率。

圖3. 微藻基墨水的雙光子激光3D打印。  

4. 細胞活力測定，利用活/死細胞染色、免疫染色和顯微鏡觀察等方法，以大鼠胚胎成纖維細胞（REFs）為研究對象，研究了3D打印微藻基材料的生物相容性。結(jié)果顯示，細胞在兩種微藻基材料表面均勻分布且活力高，細胞能在材料上良好鋪展、黏附和增殖，證明微藻基材料具有良好的細胞相容性。

圖4. 細胞活力測定。

研究結(jié)論
本研究證實了微藻作為獨特且可持續(xù)的“生物工廠”，在開發(fā)適用于雙光子3D激光打印的生物相容性材料方面的可行性。研究選取的O. aurita和T. striata兩種微藻，被證明是富含甘油三酯的優(yōu)質(zhì)菌株。從微藻中提取的甘油三酯經(jīng)分析和功能化處理，引入丙烯酸酯基團作為光反應單元。與傳統(tǒng)配方不同，該研究采用的墨水基于生物且無添加劑，利用微藻提取物中固有的葉綠素衍生物，避免了使用非生物基和有毒的光引發(fā)劑。本研究深入探討了打印窗口、固化、分辨率和最小特征尺寸等參數(shù)，成功制備出具有不同懸垂結(jié)構(gòu)和亞微米分辨率的復雜3D幾何結(jié)構(gòu)。通過細胞活力研究，還驗證了打印的微藻基結(jié)構(gòu)的生物相容性。該研究凸顯了微藻在雙光子3D激光打印領域的巨大潛力，有望推動光基3D打印向可持續(xù)和功能性生物基材料方向發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202402786