Adv. Mater. 用非黏性可光交聯的墨水3D打印水凝膠

【引言】

對生物功能組分（如細胞、細胞外基質、生長因子）在類組織支架中進行三維的控制對組織工程至關重要。3D打印在這一領域中受到人們的關注，由于其能夠將材料和細胞一起打印成組織，并且可以實現高分辨、復雜的因具體應用和病人而異的設計。但是大部分的3D打印方法都需要將生物墨水擠壓出去然后迅速固化，因此生物墨水需要是黏性的或者需要其它因素使其固化（如溫度、離子）。

可光交聯的水凝膠也可用于3D打印，但是它的黏度一般很低，使其不能快速固化而維持所打印的結構。可以在擠壓前或擠壓后將水凝膠固化，但是擠壓前固化時所需的擠壓力大并且不一致，導致結構的不一致和細胞存活率低，擠壓后固化時不能維持打印時的結構。

【成果簡介】

最近賓夕法尼亞大學的Jason A. Burdick（通訊作者）等人提出了一種“原位交聯”的方法來解決上述問題。他們在擠出口前端使用可透光的毛細管（圖1A），光可以透過毛細管使里面的水凝膠發生固化，但是又不影響其擠出性能。這種方法不需使用添加劑、適用于不同的水凝膠、細胞存活率高并且還能打印異質的和復雜的結構。

【圖文導讀】

圖1 常用的生物打印方法

（A）三種不同固化可交聯水凝膠的方法，即擠出前、擠出后和擠出時（原位交聯）固化；

（B）用紫外光照射時存儲（G’）和損失（G’’）模量的代表性曲線；

（C）擠出所需力與時間的關系；

（D）用各種固化方法得到的結構；

（E）細胞存活率。

圖2用原位交聯過程進行3D打印

（A）擠出速度與進給速度的示意圖（上），擠出速度和進給速度的相對大小對最終結構的影響；

（B）在旋轉的棒上打印空心管；

（C-E）分別代表使用這種方法打印的格子結構、空心管結構和鼻子結構；

（F）上圖表示用不同的生物墨水打印原絲的熒光照片和相應的截面，下圖表示用對應上圖墨水打印的空心環狀結構受力是的照片。

圖3 細胞在打印結構上的存活率和行為

（A）3T3細胞在用不同墨水打印的結構上的生/死染色熒光圖；

（B）打印不同時間后細胞的存活率；

（C）三種不同墨水中細胞的熒光圖和細胞在近表面和里面的單個細胞圖片；

（D）細胞在近表面和里面的充實度（circularity）。

圖4 用原位交聯法打印的各種復雜結構

（A）打印核-殼結構的示意圖；

（B）用不同熒光團標記的墨水打印出來的原絲熒光圖；

（C）含有用不同染料標記細胞的墨水打印出來的原絲熒光圖；

（D）打印交替結構異質原絲的示意圖；

（E）用不同熒光團標記的墨水打印出來的原絲熒光圖；

（F）含有用不同染料標記細胞的墨水打印出來的原絲熒光圖；

（G）打印空心原絲的示意圖；

（H）灌注前和灌注后的空心結構圖；

（I）細胞在空心結構中。

【總結與展望】

作者開發了一種用于打印非黏性可光交聯水凝膠的方法，這種方法可通用化，使得我們能夠打印一系列的水凝膠用于生物醫學中。

文獻鏈接：A Generalizable Strategy for the 3D Bioprinting of Hydrogels from Nonviscous Photo-crosslinkable Inks（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604983）

本文由材料人生物材料組陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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