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悬浮 3D 打印的技术原理及优势

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简介由于材料适用范围广,挤出式生物3D打印成为目前应用最为广泛的打印方法,但在大尺寸、高精度组织结构的构建上,传统挤出打印就略显不足。为了克服现有挤出打印的局限,悬浮打

由于材料适用范围广,挤出式生物3D打印成为目前应用最为广泛的打印方法,但在大尺寸、高精度组织结构的构建上,传统挤出打印就略显不足。为了克服现有挤出打印的局限,悬浮打印应用而生,标志着基于挤出式的生物3D打印迎来了新时代。那么究竟什么是悬浮打印呢?近期,英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的Melchels团队发表在“Trends in Biotechnology”上的“3D Printing in Suspension Baths: Keeping the Promises of Bioprinting Afloat”综述论文详细介绍了悬浮打印的技术原理及优势,并对这种技术的几个典型应用进行了讨论。

1.什么是悬浮打印?

悬浮打印是在传统挤出打印的基础上增加了悬浮介质,喷头再悬浮介质中打印。详细来讲,悬浮介质在没有施加外力或施加外力很小的时候表现出固体的特性,从而实现打印结构的自支撑;当打印喷嘴运动时,产生的屈服应力引发悬浮介质的流动,表现出液体的特性,并在打印喷嘴经过后,由于悬浮介质的自愈性从而实现其微观结构自发地恢复从而保证打印的实现(图1)。因此,打印是否成功跟悬浮介质的特性有着很大的关系。

图1 悬浮打印原理

2.悬浮打印的成形性能优势

悬浮打印上手快、门槛较低,目前使用挤出式3D打印机的实验室只需额外添加一个悬浮介质就可以实现悬浮打印。悬浮打印的优点有:打印结构不易坍塌、打印速度大幅提升、打印材料无脱水问题、可以实现全方向打印(不仅仅局限于自下而上的逐层沉积)。悬浮打印有两种用途:第一种是打印过程中用做辅助,结束后提取打印结构,通常用来提取打印结构的方法有升温融化悬浮介质、稀释悬浮介质、改变PH值降解悬浮介质、酶降解法分解悬浮介质;第二种是去除打印结构,保留悬浮介质,可用于血管化组织结构的构建。

3.悬浮打印的生物性能优势

传统3D打印仿生结构常用高粘度生物墨水保证稳定沉积的方法,但使用该方法会损伤细胞活性。利用悬浮打印可以使用低粘度生物墨水,仅靠悬浮介质来支撑打印结构而无需其他支撑,从而确保细胞存活率。悬浮打印可以实现传统挤出式3D打印无法打印的胶原蛋白、纤维蛋白和没有生物材料的纯细胞等材料,以及许多器官和组织的自支撑结构特征。

生物性能方面悬浮介质也可作为细胞外基质(ECM),悬浮介质在没有施加外力或施加外力很小的时候表现出固体的特性,从而可知其能为细胞培养提供一个具有较大机械性能的基质。许多组织在结构上是分层的,这意味该结构中细胞的增殖需要不同分辨率的结构,然而打印分辨率限制打印时间,从而导致细胞性能受到影响,然而悬浮打印可以提供全方向的不同分辨率的打印从而很好的解决这一问题。悬浮介质的材料特性有利于生物墨水在三维空间的全方向打印,这为解决构建血管化问题提供了很好的途径。

图2 全向3D打印技术的发展:从屈服应力流体到悬浮液.(A)使用红色生物墨水的3d打印血管网络示意图;(B)悬浮打印微型俄罗斯套娃;(C)荧光标记的墨水(绿色)被连续的螺旋结构(红色)包围;(D)用荧光微球在悬浮介质中打印一个空心管状绳结;(E、F)在海藻酸盐悬浮介质中打印的人脑模型

图3(A)概述两种悬浮打印途径:打印完成后固化打印结构,去除悬浮介质(上图);打印完成后固化悬浮介质,去除打印结构(下图);(B1)在胚状体悬浮介质中牺牲打印完成后的墨水.(B2)(上图)器官单元块;(下图)去除打印结构后,胚状体悬浮介质结构的横截面;(C1)在羧乙烯聚合物悬浮介质中打印的高度分枝管状网络(C2)将悬浮介质去除后的打印结构

图4 悬浮打印用于人体心脏生物3D打印.(A-C)生物3D打印一个微型化、富含细胞的人类心脏;(D)从培养基中取出的3D打印心脏,然后用红色和蓝色染料灌注,以演示打印出的空心腔室;(E-F)明胶微粒组成的两种悬浮介质;G-H)打印在(F)中的胶原心脏瓣膜结构