無需去除懸浮支撐的4S生物3D打印方法
時間：2024-10-16 08:59 來源：EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
懸浮生物3D打印被廣泛用來制備具有精細特征的水凝膠結構，特別是工程血管網絡的制造。懸浮生物3D打印可直接將生物墨水打印在懸浮支撐浴中，無需其他支撐介質。目前運用較為廣泛的懸浮支撐浴主要包括顆粒狀凝膠材料、復合凝聚材料和商用增稠類凝膠等。盡管懸浮生物3D打印在工藝、材料、結構等方面取得了許多進展，但其應用過程中依然面臨著以下瓶頸：
1. 支撐浴通常使用溫敏性或生物兼容性不佳的材料，打印后需要去除，在復雜結構，如多細胞結構制造上局限較大；
2. 支撐浴材料尺寸較大（>20μm），打印后表面精度不佳；支撐浴通常采用機械研磨或微流控方式制備，制備方式復雜，需要現配現用，難以存儲，成本較高。
我們將淀粉類水凝膠引入懸浮支撐浴體系中，提出了無需去除懸浮支撐的4S（Simple，Storable，Stable，Scalable）生物3D打印方法。該懸浮支撐浴可通過加熱淀粉顆粒和明膠進行制備，過程簡單（Simple）;懸浮支撐浴可長期儲存在4℃的冰箱環境，加熱后即可作為懸浮支撐浴使用，無需現配現用，有較好的存儲性（Storable）;懸浮支撐浴由微米級淀粉顆粒組成，微顆粒尺寸穩定（Stable）；懸浮支撐浴有很好的可擴展性（Scalable），可與多種打印材料及懸浮材料復合使用，如圖1所示。
相關研究以“Removal-Free and Multicellular Suspension Bath-Based 3D Bioprinting”為題發表在《Advanced Materials》。浙江大學的賀永教授和浙江大學醫學院附屬第一醫院胡懿郃主任為論文共同通訊作者，共同第一作者為浙江大學醫學院附屬第一醫院李帥研究員、李建平研究員和許鑒研究員。
研究內容
作者首先對淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴的機制進行了探索。由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的淀粉顆粒在加熱后呈無序狀態，直鏈淀粉和支鏈淀粉相互分離，淀粉凝膠化（Gelatinization），此時淀粉顆粒主要由支鏈淀粉組成；冷卻后，直鏈淀粉重組，包裹在支鏈淀粉周圍，形成不可逆的淀粉凝膠，也稱為退火過程（Retrogradation）。在淀粉顆粒加熱后引入明膠，直鏈淀粉和明膠之間氫鍵結合，阻礙退火過程，由支鏈淀粉組成的淀粉顆粒在此體系中呈現出無序狀態，從而支撐懸浮生物3D打印過程。作者通過打印、離心、XRD和FTIR等手段，驗證了該機制。如圖2所示。
進一步，作者針對工程血管網絡制造，在淀粉類水凝膠懸浮支撐浴中打印了不同結構，驗證了淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴的可行性；另外，海藻酸鈉、殼聚糖、硫酸軟骨素、GelMA、SilMA等材料加入到該懸浮支撐浴體系中，擴展了懸浮支撐浴材料的選擇范圍；流變性能測試驗證了淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴所需的剪切變稀性和恢復性；工程血管網絡制備方面，作者制備了不同結構的工程血管網絡，包括分叉狀結構、字母狀結構、視網膜血管網絡結構等，視網膜血管網絡犧牲模板打印過程如視頻1所示，其貫通性測試如視頻2所示，驗證了懸浮生物3D打印制備工程血管網絡的靈活性。如圖3所示。
在懸浮生物3D打印中，擠出墨水與懸浮支撐浴介質直接接觸。因此，懸浮支撐浴中的顆粒大小直接影響工程血管網絡的表面精度。人體血管網絡為降低血液流動阻力，其內表面較為光滑。因此，為提升工程血管網絡表面制造精度，作者探索了不同尺寸（品種）淀粉顆粒對工程血管網絡表面粗糙度的影響。結果表明，尺寸為4.8±1.4μm的大米淀粉制備的工程血管網絡表面粗糙度值最低（2.5±0.2μm），非常接近活體主動脈的內表面粗糙度（≈2μm）。研究進一步通過球囊止血模擬實驗，驗證了制備高精度工程血管網絡的重要性。如圖4所示。
1. 支撐浴通常使用溫敏性或生物兼容性不佳的材料，打印后需要去除，在復雜結構，如多細胞結構制造上局限較大；
2. 支撐浴材料尺寸較大（>20μm），打印后表面精度不佳；支撐浴通常采用機械研磨或微流控方式制備，制備方式復雜，需要現配現用，難以存儲，成本較高。
我們將淀粉類水凝膠引入懸浮支撐浴體系中，提出了無需去除懸浮支撐的4S（Simple，Storable，Stable，Scalable）生物3D打印方法。該懸浮支撐浴可通過加熱淀粉顆粒和明膠進行制備，過程簡單（Simple）;懸浮支撐浴可長期儲存在4℃的冰箱環境，加熱后即可作為懸浮支撐浴使用，無需現配現用，有較好的存儲性（Storable）;懸浮支撐浴由微米級淀粉顆粒組成，微顆粒尺寸穩定（Stable）；懸浮支撐浴有很好的可擴展性（Scalable），可與多種打印材料及懸浮材料復合使用，如圖1所示。
相關研究以“Removal-Free and Multicellular Suspension Bath-Based 3D Bioprinting”為題發表在《Advanced Materials》。浙江大學的賀永教授和浙江大學醫學院附屬第一醫院胡懿郃主任為論文共同通訊作者，共同第一作者為浙江大學醫學院附屬第一醫院李帥研究員、李建平研究員和許鑒研究員。
圖1 無需去除懸浮支撐的4S生物3D打印方法。A：懸浮支撐浴制備過程簡單，B：懸浮支撐浴可長期儲存，C：懸浮支撐浴淀粉顆粒尺寸穩定，D：懸浮支撐浴可擴展，E：懸浮支撐浴可應用在多種打印場景及其高精度、多細胞制造功能
研究內容
作者首先對淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴的機制進行了探索。由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的淀粉顆粒在加熱后呈無序狀態，直鏈淀粉和支鏈淀粉相互分離，淀粉凝膠化（Gelatinization），此時淀粉顆粒主要由支鏈淀粉組成；冷卻后，直鏈淀粉重組，包裹在支鏈淀粉周圍，形成不可逆的淀粉凝膠，也稱為退火過程（Retrogradation）。在淀粉顆粒加熱后引入明膠，直鏈淀粉和明膠之間氫鍵結合，阻礙退火過程，由支鏈淀粉組成的淀粉顆粒在此體系中呈現出無序狀態，從而支撐懸浮生物3D打印過程。作者通過打印、離心、XRD和FTIR等手段，驗證了該機制。如圖2所示。
圖2
淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴的機制研究。A：淀粉組成，B：淀粉在水中加熱后的凝膠化過程，C：凝膠化淀粉在冷卻后的退火過程，D：引入明膠阻礙凝膠化淀粉的退火過程，E：淀粉類水凝膠懸浮支撐浴支持懸浮生物3D打印示意圖，F：不同濃度淀粉類水凝膠可打印性，G：不同濃度淀粉類水凝膠離心后的淀粉顆粒體積，H：退火后的淀粉類水凝膠懸浮支撐浴倒置實驗，I：退火后的淀粉類水凝膠懸浮支撐浴在不同條件下的打印結果，J：淀粉類水凝膠懸浮支撐浴XRD檢測結果，K：淀粉類水凝膠懸浮支撐浴、淀粉和明膠FTIR檢測結果
進一步，作者針對工程血管網絡制造，在淀粉類水凝膠懸浮支撐浴中打印了不同結構，驗證了淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴的可行性；另外，海藻酸鈉、殼聚糖、硫酸軟骨素、GelMA、SilMA等材料加入到該懸浮支撐浴體系中，擴展了懸浮支撐浴材料的選擇范圍；流變性能測試驗證了淀粉類水凝膠作為懸浮支撐浴所需的剪切變稀性和恢復性；工程血管網絡制備方面，作者制備了不同結構的工程血管網絡，包括分叉狀結構、字母狀結構、視網膜血管網絡結構等，視網膜血管網絡犧牲模板打印過程如視頻1所示，其貫通性測試如視頻2所示，驗證了懸浮生物3D打印制備工程血管網絡的靈活性。如圖3所示。
圖3
淀粉類水凝膠擴展懸浮支撐浴范圍及工程血管網絡制備。A：淀粉類水凝膠懸浮支撐浴內打印不同間距犧牲模板，B：淀粉類水凝膠懸浮支撐浴內打印不同層數犧牲模板，C：淀粉類水凝膠內引入不同水凝膠作為懸浮支撐浴，D&E：淀粉類水凝膠懸浮支撐浴流變測試，F：不同結構工程血管網絡的制備，G：視網膜血管網絡結構，H：視網膜血管網絡打印路徑規劃，I：視網膜血管網絡犧牲模板打印結果，J：視網膜血管網絡貫通性測試結果
在懸浮生物3D打印中，擠出墨水與懸浮支撐浴介質直接接觸。因此，懸浮支撐浴中的顆粒大小直接影響工程血管網絡的表面精度。人體血管網絡為降低血液流動阻力，其內表面較為光滑。因此，為提升工程血管網絡表面制造精度，作者探索了不同尺寸（品種）淀粉顆粒對工程血管網絡表面粗糙度的影響。結果表明，尺寸為4.8±1.4μm的大米淀粉制備的工程血管網絡表面粗糙度值最低（2.5±0.2μm），非常接近活體主動脈的內表面粗糙度（≈2μm）。研究進一步通過球囊止血模擬實驗，驗證了制備高精度工程血管網絡的重要性。如圖4所示。
圖4
淀粉類水凝膠懸浮支撐浴提升血管網絡表面精度。A：不同尺寸淀粉顆粒加熱前后尺寸及可打印性，B：不同尺寸淀粉類水凝膠懸浮支撐浴制備的血管網絡表面精度測試，C：不同尺寸淀粉類水凝膠懸浮支撐浴制備的血管網絡表面SEM圖，D：不同表面粗糙度血管網絡止血效應，E：止血球囊和測試樣品，F：不同尺寸淀粉類水凝膠懸浮支撐浴制備的血管網絡止血模擬實驗，G：不同尺寸淀粉類水凝膠懸浮支撐浴制備的血管網絡阻血模擬結果
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