湖大團(tuán)隊(duì)提出新型光散射抑制機(jī)制，助力高保真光固化生物3D打印
時(shí)間：2023-06-14 11:09 來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì) 作者：admin 閱讀：次
光固化 3D 打印技術(shù)是一種利用光照射來固化材料的 3D 打印方法。它使用特殊的光敏材料作為打印原料，通過光的照射將液態(tài)材料固化成固體，可以實(shí)現(xiàn)高精度和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的打印。光固化 3D 打印技術(shù)也能用于打印生物墨水（含有細(xì)胞的打印原材料），它可以用來建造復(fù)雜的活性幾何結(jié)構(gòu)，在組織工程、藥物緩釋、植入物等生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，湖南大學(xué)教授韓曉筱課題組發(fā)現(xiàn)，在光照過程中由于折射率的不同，光在液體和固體的交界處、以及細(xì)胞和水凝膠界面處，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的物理散射現(xiàn)象。這導(dǎo)致不需要打印的區(qū)域的生物墨水也會(huì)被固化，這會(huì)降低打印的精度。因此很難使用這種方法打印一些仿生結(jié)構(gòu)。
通過以上方法，他們成功打印了多種復(fù)雜的具有細(xì)胞功能的結(jié)構(gòu)，比如血管支架、脊髓支架、極小三周期曲面等；并證明通過這種方法制造出來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有很好的生物相容性，展示了其在器官打印、組織工程中的應(yīng)用潛力。之前，學(xué)界并未太多關(guān)注載細(xì)胞支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原因有如下幾點(diǎn)：
其一，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是工程領(lǐng)域比較常用的方法，但是在生物領(lǐng)域運(yùn)用得比較少。而該課題組發(fā)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，對(duì)于生物性能的影響其實(shí)非常大。
其二，優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難被制造出來。而本次成果解決了制造工藝的問題，因此可以將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制備出來，這能給今后植入支架的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
目前，課題組已經(jīng)聯(lián)手相關(guān)醫(yī)院進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用研究，主要來說就是進(jìn)行仿生支架的全周期定制，從細(xì)胞生長的模擬、支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、到生物墨水的配置、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造、再到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支架的生物學(xué)功能。
據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。初步結(jié)果表明，優(yōu)化后的載細(xì)胞支架在血管生成、細(xì)胞生長和藥物釋放上，相比傳統(tǒng)支架有著較大優(yōu)勢，未來有望用于載細(xì)胞植入支架和類器官等。
最終，相關(guān)論文以《Photoinhibition via simultaneously photoabsorption and free-radical reaction for high-fidelity light-based bioprinting》為題發(fā)在 Nature Communications[1]上。湖南大學(xué)博士研究生賀寧為第一作者，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院韓曉筱教授和陳鋒副教授為通訊作者。
“要想推動(dòng)本次成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，我們還在積極尋求與相關(guān)產(chǎn)業(yè)或機(jī)構(gòu)開展合作，從而加速這一系列研究的進(jìn)展，將成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用或產(chǎn)品。”另據(jù)悉，此前韓曉筱在英國讀完了碩士和博士后，并曾在英國高校擔(dān)任講師職位。她說：“我總共在英國待了 13 年。在英國期間，我組建了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，并擔(dān)任了獨(dú)立 PI 的角色。”
擔(dān)任獨(dú)立 PI 三年之后，她與湖南大學(xué)建立聯(lián)系并回到中國。其表示：“我之所以做出這個(gè)決定，是因?yàn)槲业难芯糠较蚍浅＝徊妫婕吧飳W(xué)、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)和材料化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。在國外，我發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)一些科研想法相對(duì)困難。而湖南大學(xué)為我提供了一個(gè)更高的平臺(tái)。”
比如，這篇論文中的所有作者都來自湖南，包括來自湖南大學(xué)生物學(xué)院和材料學(xué)院、以及來自湖南農(nóng)大的老師等。“我認(rèn)為這個(gè)科研環(huán)境為我們的交叉研究提供了很好的支持，選擇回到湖南大學(xué)對(duì)于我的科研方向是一個(gè)正確而明智的決定。”韓曉筱說。
圖 | 韓曉筱（來源：韓曉筱）
在近期一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)提出一種用于抑制上述散射問題的方法，并制備出相應(yīng)的添加物——姜黃鈉（Cur-Na）。此方法從兩個(gè)方面對(duì)散射進(jìn)行了抑制：一方面是物理方法，即吸收多余的散射光，降低光穿透深度，使非打印區(qū)域散射光減少。另一方面是化學(xué)方法，由于姜黃鈉可以跟生物墨水中由光照產(chǎn)生的自由基進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并且反應(yīng)速率比水凝膠的交聯(lián)反應(yīng)更高。這樣就能降低水凝膠在非目標(biāo)區(qū)域的聚合反應(yīng)速率。 另外姜黃鈉的反應(yīng)產(chǎn)物為液體，在打印完成之后能被直接沖洗掉，這樣就從兩個(gè)方面抑制了非目標(biāo)區(qū)域的固化，提高了打印精度。通過以上方法，他們成功打印了多種復(fù)雜的具有細(xì)胞功能的結(jié)構(gòu)，比如血管支架、脊髓支架、極小三周期曲面等；并證明通過這種方法制造出來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有很好的生物相容性，展示了其在器官打印、組織工程中的應(yīng)用潛力。之前，學(xué)界并未太多關(guān)注載細(xì)胞支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原因有如下幾點(diǎn)：
其一，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是工程領(lǐng)域比較常用的方法，但是在生物領(lǐng)域運(yùn)用得比較少。而該課題組發(fā)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，對(duì)于生物性能的影響其實(shí)非常大。
其二，優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難被制造出來。而本次成果解決了制造工藝的問題，因此可以將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制備出來，這能給今后植入支架的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
目前，課題組已經(jīng)聯(lián)手相關(guān)醫(yī)院進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用研究，主要來說就是進(jìn)行仿生支架的全周期定制，從細(xì)胞生長的模擬、支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、到生物墨水的配置、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造、再到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支架的生物學(xué)功能。
據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。初步結(jié)果表明，優(yōu)化后的載細(xì)胞支架在血管生成、細(xì)胞生長和藥物釋放上，相比傳統(tǒng)支架有著較大優(yōu)勢，未來有望用于載細(xì)胞植入支架和類器官等。
（來源：Nature Communications）
韓曉筱說：“我們橫向比較了其他科研團(tuán)隊(duì)的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)我們的方法對(duì)于打印光固化生物打印的精度有著較大的提高，對(duì)這一領(lǐng)域也有比較重要的潛在貢獻(xiàn)，于是我們決定將論文投稿到
Nature
Communications。”在研究過程中，韓曉筱也看到了文章一作博士生賀寧在研究中的成長。作為一名機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，賀寧面臨著突破自身領(lǐng)域限制的挑戰(zhàn)。他意識(shí)到，光固化過程中的物理缺陷問題，只有跨越化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域才能得到解決。“盡管這對(duì)他來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但是他并沒有退縮，而是決心克服困難，并與生物學(xué)專家和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成了本次研究。”韓曉筱說。最終，相關(guān)論文以《Photoinhibition via simultaneously photoabsorption and free-radical reaction for high-fidelity light-based bioprinting》為題發(fā)在 Nature Communications[1]上。湖南大學(xué)博士研究生賀寧為第一作者，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院韓曉筱教授和陳鋒副教授為通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）
接下來，他們將進(jìn)一步優(yōu)化打印性能，也會(huì)繼續(xù)發(fā)掘更多材料，并將它們用于光固化的散射抑制的應(yīng)用中。另外，課題組也將尋求不同領(lǐng)域的合作，致力于拓展仿生復(fù)雜載細(xì)胞生物支架的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，也將探索新的研究方向。散射問題不止存在于光固化生物打印中，在光固化陶瓷、玻璃等打印領(lǐng)域也是一個(gè)很重要的共性問題，因此他們將聯(lián)合其他團(tuán)隊(duì)開展一些探索。“要想推動(dòng)本次成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，我們還在積極尋求與相關(guān)產(chǎn)業(yè)或機(jī)構(gòu)開展合作，從而加速這一系列研究的進(jìn)展，將成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用或產(chǎn)品。”另據(jù)悉，此前韓曉筱在英國讀完了碩士和博士后，并曾在英國高校擔(dān)任講師職位。她說：“我總共在英國待了 13 年。在英國期間，我組建了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，并擔(dān)任了獨(dú)立 PI 的角色。”
擔(dān)任獨(dú)立 PI 三年之后，她與湖南大學(xué)建立聯(lián)系并回到中國。其表示：“我之所以做出這個(gè)決定，是因?yàn)槲业难芯糠较蚍浅＝徊妫婕吧飳W(xué)、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)和材料化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。在國外，我發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)一些科研想法相對(duì)困難。而湖南大學(xué)為我提供了一個(gè)更高的平臺(tái)。”
比如，這篇論文中的所有作者都來自湖南，包括來自湖南大學(xué)生物學(xué)院和材料學(xué)院、以及來自湖南農(nóng)大的老師等。“我認(rèn)為這個(gè)科研環(huán)境為我們的交叉研究提供了很好的支持，選擇回到湖南大學(xué)對(duì)于我的科研方向是一個(gè)正確而明智的決定。”韓曉筱說。
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