Jason A. Burdick團隊：3D打印出具有功能性單體、復雜形狀和多種材料的物體
時間：2024-11-06 09:09 來源：EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
3D打印，這個火出圈的技術可謂是得到了廣泛發展，近年來已成為頂刊常客！今年的8月1號，來自美國賓夕法尼亞大學的Jason A. Burdick團隊在《Science》上發表了一篇名為“Additive manufacturing of highly entangled polymer networks”的研究性論文，就連Science的Marc S. Lavine編輯都對其進行了高度評價：這種方法能夠打印出具有功能性單體、復雜形狀和多種材料的物體。
時隔2個月，這個團隊又以“基于光刻技術的水凝膠3D打印”為主要內容的綜述發表在了《Nature Reviews Bioengineering》上。在本綜述中，該團隊介紹了基于光的光刻3D打印方法來處理水凝膠，并提供了基于光刻的打印指南，從生物樹脂選擇到打印參數的優化。此外，作者重點介紹了水凝膠體外和體內生物醫學應用的例子，其中已經利用了基于光刻的方法，并討論了將水凝膠加工成具有多尺度組織的異質結構的努力。相關論文以“Lithography-based 3D printing of hydrogels”為題于2024年10月16日發表在《Nature Reviews Bioengineering》上。
本文的主要關鍵內容主要有以下5點：
（1）基于光刻的3D打印可實現高分辨率結構，且不會影響制造速度；
（2）可以使用多種基于光刻的方法來處理水凝膠，以控制水凝膠的結構以及生化和生物物理特性；
（3）基于光刻的印刷涉及從樹脂配方到后處理的一系列步驟；
（4）水凝膠打印技術在組織工程和藥物篩選體外模型等領域有著廣闊的應用前景；
（5）先進的光刻技術正在增加印刷結構的復雜性，并將其用途擴展到新的應用領域。
1.光聚合法
立體光刻和雙光子聚合都使用沿槽表面或槽內連續或脈沖激光掃描，以線性逐點方式將光反應性樹脂交聯成3D物體（表1）。大多數立體光刻系統由高強度近紅外激光源、聚焦高數值孔徑物鏡和平移臺組成，以實現3D物體的構建。光固化樹脂包括膠原蛋白、明膠和透明質酸，可用于帶或不帶細胞的打印。雙光子聚合需要使用專門的光引發劑來實現自由基的產生，從而引發所需樹脂體積內的交聯反應。然而，立體光刻和雙光子聚合提供的高分辨率通常以較長的制造時間（數小時）為代價。此外，較大結構（幾毫米到幾厘米）的制造受到用于將激光脈沖聚焦到樹脂中的顯微鏡物鏡的工作距離的限制，這會降低可擴展性。
數字光處理(DLP)是水凝膠最廣泛使用的基于光刻的打印方法之一。它涉及自上而下或自下而上的光投影，以實現3D物體的逐步制造。基于光（365 nm 的紫外線或 405 nm的可見光）的液態樹脂交聯是通過使用數字微鏡設備進行圖案化光投影實現的。DLP的一個限制是階梯效應：由于逐層制造，打印物體的表面上會出現可見的階梯狀圖案。
體積增材制造(VAM)，是一種最近開發的基于光刻的方法，它依賴于使用光投影的體積光聚合，類似于3D相干斷層掃描成像。含有光反應性樹脂的桶的旋轉與切片圖像的投影同步，以允許從各個角度投射的圖案中積累3D光劑量，從而導致體素的凝固，而不是順序或連續固化層。
2.光聚合樹脂
光聚合反應中使用的樹脂是各種反應性分子和添加劑的溶液，這些分子和添加劑可實現凝膠化，即樹脂在光照下從液體轉變為固體。在基于DLP和VAM的水凝膠打印中，必須考慮樹脂配方的關鍵參數（圖1a、b）。打印機規格（例如光源和強度、切片層厚度、光學分辨率、構建板移動速度或槽旋轉速度）也會對基于光刻的水凝膠打印產生相當大的影響（圖1c）。
接著，作者提供了基于光刻技術打印水凝膠時需要考慮的步驟指南（圖2）。鑒于低成本商用DLP打印機的普及，本指南重點介紹基于DLP的3D水凝膠打印，以便首次使用者能夠輕松掌握，主要步驟包括選擇聚合物、調整光學特性、獲取工作曲線，優化打印分辨率、準備進行3D打印以及輔助硬化。
4.基于光刻技術的生物醫學印刷
利用光刻技術處理水凝膠的應用范圍很廣，從生產微結構金屬合金到培養肉。此外，它還可以應用于組織工程和再生醫學的三維支架以及疾病建模和藥物篩選的三維體外模型。這些應用可以包括以預定義的空間方式整合多種細胞類型或基質成分、設計孔隙或微通道以引導細胞浸潤或治療分子的特定放置。
（1）組織工程的3D支架
基于光刻技術的3D打印可生產高通量且精確的支架。這些支架可設計用于封裝或接種細胞或促進細胞募集。這種基于水凝膠的醫療設備和植入物在組織修復、組織粘合劑、個性化生物材料和器官規模制造方面具有廣泛的應用（圖3a）。在個性化醫療方面，可以使用高分辨率醫學成像（例如磁共振成像和計算機斷層掃描）設計3D支架，然后通過光聚合打印。該過程以高精度在幾秒到幾分鐘內完成，可用于組織替換或設計用于制造醫療設備（例如粘合劑和貼片）的模板。
（2）3D體外模型
生物3D打印組織可以作為篩選患者來源細胞中藥物反應的平臺，并包括能夠預測藥物性能的轉錄譜（圖3b）。除了篩選之外，體外3D系統還可以模擬健康或患病組織，以研究發育和疾病進展。此類平臺允許以受控方式研究細胞串擾和細胞與細胞外基質之間的相互作用
5.增強印刷結構的復雜性
許多方法使用戶能夠靈活地在3D打印中對細胞和材料進行圖案化。例如，可以在x-y和z方向上進行多材料光聚合（圖4a）。基于光刻的印刷技術可以與其他制造方法相結合，例如微流體、擠壓印刷、熔融電寫和基于多光子的激光燒蝕（圖4b）。打印后，水凝膠可以用生化線索進行后功能化，并且可以進行空間硬化或軟化（圖4c）。此外，水凝膠的灰度3D打印可用于控制機械異質性或創建生化線索的梯度（圖4d）。光聚合還可以用多種協同或正交波長的光進行（圖4e）；還可以通過4D打印水凝膠來設計響應性材料（圖4f），這些水凝膠響應外部觸發，隨時間(Δt)發生尺寸或形狀的動態變化。
綜上，光聚合可用于打印材料，用于設計體外模型或療法。然而，仍有許多挑戰需要解決，才能利用該技術設計出以可擴展和可重復的方式模擬生物學復雜性的水凝膠。
（1）擴大可用水凝膠樹脂庫
大多數光聚合樹脂僅限于與(甲基)丙烯酸酯和 (甲基)丙烯酰胺進行鏈增長交聯。隨著新光化學的發展，還應強調可持續的合成路線，以制造樹脂并在體外和體內測試其細胞和生物相容性。在評估印刷水凝膠的研究中使用的細胞和動物的年齡和性別也很重要。
（2）精密打印
3D打印能夠在空間上控制細胞模式和材料，這使得水凝膠能夠重現生物系統的關鍵功能。在為特定應用設計水凝膠時，仍然可以選擇細胞指導、自上而下的組織制造方法或細胞允許的自發自組裝方法。3D打印可以生成復雜的結構，同時考慮表面形貌、曲率、孔徑和形狀，從而為控制生物反應提供了另一種方式；例如，宿主-免疫相互作用和體內組織整合。3D結構與材料生物特性之間的關系尚未得到充分研究，但應予以評估。此外，將基于光的3D圖案與光遺傳學工具相結合，可以實時監測微生理環境中基因表達的變化，以研究與疾病相關的基本途徑。
（3）監管和商業化障礙
商業化將需要可用的方法來采購大量細胞和生物打印材料，以大規模合成生物聚合物，以及質量保證方法以確保法規遵從性。
文章來源：https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9
時隔2個月，這個團隊又以“基于光刻技術的水凝膠3D打印”為主要內容的綜述發表在了《Nature Reviews Bioengineering》上。在本綜述中，該團隊介紹了基于光的光刻3D打印方法來處理水凝膠，并提供了基于光刻的打印指南，從生物樹脂選擇到打印參數的優化。此外，作者重點介紹了水凝膠體外和體內生物醫學應用的例子，其中已經利用了基于光刻的方法，并討論了將水凝膠加工成具有多尺度組織的異質結構的努力。相關論文以“Lithography-based 3D printing of hydrogels”為題于2024年10月16日發表在《Nature Reviews Bioengineering》上。
本文的主要關鍵內容主要有以下5點：
（1）基于光刻的3D打印可實現高分辨率結構，且不會影響制造速度；
（2）可以使用多種基于光刻的方法來處理水凝膠，以控制水凝膠的結構以及生化和生物物理特性；
（3）基于光刻的印刷涉及從樹脂配方到后處理的一系列步驟；
（4）水凝膠打印技術在組織工程和藥物篩選體外模型等領域有著廣闊的應用前景；
（5）先進的光刻技術正在增加印刷結構的復雜性，并將其用途擴展到新的應用領域。
1.光聚合法
立體光刻和雙光子聚合都使用沿槽表面或槽內連續或脈沖激光掃描，以線性逐點方式將光反應性樹脂交聯成3D物體（表1）。大多數立體光刻系統由高強度近紅外激光源、聚焦高數值孔徑物鏡和平移臺組成，以實現3D物體的構建。光固化樹脂包括膠原蛋白、明膠和透明質酸，可用于帶或不帶細胞的打印。雙光子聚合需要使用專門的光引發劑來實現自由基的產生，從而引發所需樹脂體積內的交聯反應。然而，立體光刻和雙光子聚合提供的高分辨率通常以較長的制造時間（數小時）為代價。此外，較大結構（幾毫米到幾厘米）的制造受到用于將激光脈沖聚焦到樹脂中的顯微鏡物鏡的工作距離的限制，這會降低可擴展性。
數字光處理(DLP)是水凝膠最廣泛使用的基于光刻的打印方法之一。它涉及自上而下或自下而上的光投影，以實現3D物體的逐步制造。基于光（365 nm 的紫外線或 405 nm的可見光）的液態樹脂交聯是通過使用數字微鏡設備進行圖案化光投影實現的。DLP的一個限制是階梯效應：由于逐層制造，打印物體的表面上會出現可見的階梯狀圖案。
體積增材制造(VAM)，是一種最近開發的基于光刻的方法，它依賴于使用光投影的體積光聚合，類似于3D相干斷層掃描成像。含有光反應性樹脂的桶的旋轉與切片圖像的投影同步，以允許從各個角度投射的圖案中積累3D光劑量，從而導致體素的凝固，而不是順序或連續固化層。
表1 光聚合法樹脂要求及印刷特性
2.光聚合樹脂
光聚合反應中使用的樹脂是各種反應性分子和添加劑的溶液，這些分子和添加劑可實現凝膠化，即樹脂在光照下從液體轉變為固體。在基于DLP和VAM的水凝膠打印中，必須考慮樹脂配方的關鍵參數（圖1a、b）。打印機規格（例如光源和強度、切片層厚度、光學分辨率、構建板移動速度或槽旋轉速度）也會對基于光刻的水凝膠打印產生相當大的影響（圖1c）。
圖1 影響光聚合的樹脂和印刷參數
3.DLP打印分步指南接著，作者提供了基于光刻技術打印水凝膠時需要考慮的步驟指南（圖2）。鑒于低成本商用DLP打印機的普及，本指南重點介紹基于DLP的3D水凝膠打印，以便首次使用者能夠輕松掌握，主要步驟包括選擇聚合物、調整光學特性、獲取工作曲線，優化打印分辨率、準備進行3D打印以及輔助硬化。
圖2 水凝膠數字光處理的分步指南
4.基于光刻技術的生物醫學印刷
利用光刻技術處理水凝膠的應用范圍很廣，從生產微結構金屬合金到培養肉。此外，它還可以應用于組織工程和再生醫學的三維支架以及疾病建模和藥物篩選的三維體外模型。這些應用可以包括以預定義的空間方式整合多種細胞類型或基質成分、設計孔隙或微通道以引導細胞浸潤或治療分子的特定放置。
（1）組織工程的3D支架
基于光刻技術的3D打印可生產高通量且精確的支架。這些支架可設計用于封裝或接種細胞或促進細胞募集。這種基于水凝膠的醫療設備和植入物在組織修復、組織粘合劑、個性化生物材料和器官規模制造方面具有廣泛的應用（圖3a）。在個性化醫療方面，可以使用高分辨率醫學成像（例如磁共振成像和計算機斷層掃描）設計3D支架，然后通過光聚合打印。該過程以高精度在幾秒到幾分鐘內完成，可用于組織替換或設計用于制造醫療設備（例如粘合劑和貼片）的模板。
（2）3D體外模型
生物3D打印組織可以作為篩選患者來源細胞中藥物反應的平臺，并包括能夠預測藥物性能的轉錄譜（圖3b）。除了篩選之外，體外3D系統還可以模擬健康或患病組織，以研究發育和疾病進展。此類平臺允許以受控方式研究細胞串擾和細胞與細胞外基質之間的相互作用
圖3 基于光刻技術的水凝膠3D打印應用
5.增強印刷結構的復雜性
許多方法使用戶能夠靈活地在3D打印中對細胞和材料進行圖案化。例如，可以在x-y和z方向上進行多材料光聚合（圖4a）。基于光刻的印刷技術可以與其他制造方法相結合，例如微流體、擠壓印刷、熔融電寫和基于多光子的激光燒蝕（圖4b）。打印后，水凝膠可以用生化線索進行后功能化，并且可以進行空間硬化或軟化（圖4c）。此外，水凝膠的灰度3D打印可用于控制機械異質性或創建生化線索的梯度（圖4d）。光聚合還可以用多種協同或正交波長的光進行（圖4e）；還可以通過4D打印水凝膠來設計響應性材料（圖4f），這些水凝膠響應外部觸發，隨時間(Δt)發生尺寸或形狀的動態變化。
圖4 增強3D打印水凝膠的復雜性
綜上，光聚合可用于打印材料，用于設計體外模型或療法。然而，仍有許多挑戰需要解決，才能利用該技術設計出以可擴展和可重復的方式模擬生物學復雜性的水凝膠。
（1）擴大可用水凝膠樹脂庫
大多數光聚合樹脂僅限于與(甲基)丙烯酸酯和 (甲基)丙烯酰胺進行鏈增長交聯。隨著新光化學的發展，還應強調可持續的合成路線，以制造樹脂并在體外和體內測試其細胞和生物相容性。在評估印刷水凝膠的研究中使用的細胞和動物的年齡和性別也很重要。
（2）精密打印
3D打印能夠在空間上控制細胞模式和材料，這使得水凝膠能夠重現生物系統的關鍵功能。在為特定應用設計水凝膠時，仍然可以選擇細胞指導、自上而下的組織制造方法或細胞允許的自發自組裝方法。3D打印可以生成復雜的結構，同時考慮表面形貌、曲率、孔徑和形狀，從而為控制生物反應提供了另一種方式；例如，宿主-免疫相互作用和體內組織整合。3D結構與材料生物特性之間的關系尚未得到充分研究，但應予以評估。此外，將基于光的3D圖案與光遺傳學工具相結合，可以實時監測微生理環境中基因表達的變化，以研究與疾病相關的基本途徑。
（3）監管和商業化障礙
商業化將需要可用的方法來采購大量細胞和生物打印材料，以大規模合成生物聚合物，以及質量保證方法以確保法規遵從性。
文章來源：https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9
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