新型光学水凝胶3D打印技术

组织工程学的最终目标是恢复、维持或改善受损组织甚至整个器官的生物功能结构。为了实现这一目标，生物打印技术已被用于这一领域，尤其是水凝胶3D打印技术，更是被视为一种生成细胞生长支架的可行方法。

新加坡的研究人员们如今开发了一种全新、基于现有基于光的增材制造工艺的水凝胶3D打印技术（文章见：Biomaterials, doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.121034）。这种方法被称为流体支撑液体界面聚合技术（Fluid-supported Liquid Interface Polymerization, FLIP），这一技术克服了传统3D打印技术由于水凝胶刚度低而造成的问题。技术的开发人员表示，这一技术将可快速打印用于再生医学的生物相容组织。

图1 由新加坡科技研究局（A*STAR）的研究人员所开发的FLIP 3D生物打印机，可放置于桌面上，并使用笔记本电脑操控。可在短短10分钟时间内，使用细胞相容的水凝胶材料打印出3.5厘米高的滨海湾金沙酒店等复杂模型

利用浮力

数字光处理（Digital light processing, DLP）技术发明之初，被用于投影仪和数字电影中；近些年这一技术应用快速发展，已被用到快速、新型增材制造技术中。DLP 3D打印的原理是：通过一组微镜对紫外线或者可见光光线重定向，投射出特定的图案；用这些光线照射大桶液体光聚物，使之逐层固化，直到生成最终的结构。

Cyrus W. Beh及其同事将DLP 3D打印应用到了软水凝胶制造中。由于水凝胶的支撑力不足，水凝胶生物打印在制造过程中往往会下垂或塌陷。FLIP 3D打印机使用405纳米UV投影仪，在密度更大、不混溶的支撑流体上悬浮一层薄薄的水凝胶前体，以提供浮力。在结构制造完成后，支撑液则可很容易被清洗掉。

新加坡科技研究局生物工程和生物成像研究所的首席研究员Beh说：“在我们所发明的方法中，新形成的打印物被液体包裹。这些流体提供浮力，无需要额外支撑结构即可打印悬空和悬挂结构。这一技术有望解决传统挤压成型生物打印技术面临的挑战，如打印速度缓慢、软水凝胶材料打印困难等。”

向实现组织工程学目标迈进

由于图案直接投射到浮动的液体投影幕上，FLIP 3D打印防止了打印结构与图案窗口（典型树脂基3D打印机中的LCD屏幕）之间的粘附。因此，该过程免除了耗时巨大的层与层之间的分离步骤。因此，FLIP 3D打印比传统的DLP打印速度更快，确保细胞能快速回归最佳培养条件。

为对这项技术进行测试，研究人员打印了一系列复杂的软结构，包括无支撑的网格穹顶、解剖结构和3D晶格等。他们还测试了这种方法的生物相容性，直接使用甲基丙烯酸明胶（GelMA）基的生物墨水打印细胞，结果显示未对细胞产生不良影响。

“初步实验结果表明，我们的方法可成功实现细胞的生物打印。”Beh说，“目前我们正在研究生物打印细胞的长期培养和分化，以及新的微血管化方法，以培养可用于可再生医学的组织。”