高分辨率投影式生物3D打印

3D打印动态
2024
08/30
10:39
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来源: EngineeringForLife

投影式3D打印(PBP)的核心在于利用空间光调制器生成动态掩模,并将光学图案投影至光敏材料表面,实现选择性地精准固化。该技术在所有3D打印技术中具有最高的分辨率/制造时间比(RTM)。然而,在使用生物墨水作为打印材料的投影式生物3D打印(PBBP)中,打印分辨率却不尽如人意,实际的打印分辨率与理论分辨率之间存在显著差距。这主要因为活细胞的引入使得传统制造策略不再适用,对生物相容性的严格要求大大限制了打印分辨率。

EFL团队致力于生物3D打印研究十余年,为全球5000多个实验室提供生物3D打印系统解决方案,涵盖光固化生物墨水和投影式生物3D打印机。在与众多同行科学家交流的过程中,我们发现背景知识的差异导致了对许多基本概念的误解和混淆。例如:“光学分辨率”被误认为是“打印分辨率”;许多声称“高分辨率生物打印”的研究工作却展现出几个数量级的差异;“生物墨水(Bioinks)”的打印分辨率被混同于“生物材料墨水(Biomaterial inks)”的打印分辨率,诸如此类。

由于缺乏公认的分辨率定义,在描述新方法时常会出现混乱,无疑阻碍了该领域的发展。因此,我们认为有必要澄清高分辨率PBBP的一些基本概念,以帮助来自不同背景的科学家深入理解其核心逻辑。为此,我们系统总结了实现高分辨率PBBP的必要步骤和挑战,并为每个技术环节梳理了可行的优化策略。同时,我们也分享了一些对未来发展趋势的看法。我们希望为科研人员提供核心知识支撑,共同推动PBBP技术在组织工程与再生医学领域的迅速发展。相关工作“High-resolution projection-based 3D bioprinting”发表于《Nature Reviews Bioengineering》。浙江大学机械工程学院博士生何超凡为第一作者,贺永教授为通讯作者。   

投影式生物3D打印的“分辨率”:市面上的投影式3D打印机均会标注一个标称分辨率数值(通常为2-50 μm)。此分辨率通常指的是光学分辨率,即理论上可达到的最高分辨率,定义为“投影图案中单个像素点的尺寸”,具体由DMD微镜的尺寸与投影镜头的放大倍率共同决定。然而,在实际应用中,我们更为关注的是打印结构的实际分辨率,即打印分辨率,定义为“打印结构中可区分的最小尺寸”。它不仅受打印机光学分辨率的影响,还受到打印材料光响应特性的制约。因此,即便是同一台打印机,其打印分辨率也可能存在较大差异。光学分辨率具有明确的定义和测试方法,而“可辨识的”最小尺寸则是一个相对模糊的概念。因此,测试打印分辨率的方法也不尽相同。总体而言可分为四类:正分辨率(RP)、负分辨率(RN)、水平分辨率(RXY)以及垂直分辨率(RZ)。尽管它们都被统称为“打印分辨率”,但实际上各自具有不同的含义和适用场景。

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图1 投影式3D打印的分辨率


“高分辨率”生物3D打印:高分辨率是一个相对且动态的概念,它会随着技术的不断进步而发生变化。然而,确立一个客观的物理指标作为衡量标准是非常必要的。在生物3D打印领域,可以通过分析理论上可达到的最高打印分辨率,并在此基础上进行适当放宽(通常是理论极限的五到十倍),从而设定一个高分辨率的标准。考虑到准确且合理的定义对于避免歧义、确保研究的准确性和可重复性至关重要。这里我们定义:对于使用含有活细胞的生物墨水,打印分辨率达到50 μm被定义为高分辨率打印。而对于生物材料墨水(即打印材料作为后续细胞接种的支架),打印分辨率达到10 μm被定义为高分辨率打印。这也与当前许多研究保持一致。   

高分辨率投影式生物3D打印策略:

使用树脂的传统PBP的打印分辨率与光学分辨率可以非常接近(打印分辨率可达光学分辨率的2-3倍),然而使用生物墨水/生物材料墨水的PBBP的打印分辨率却远低于理论值(打印分辨率通常为十几倍的光学分辨率)。因此,生物3D打印需要进行全面的系统优化,而非仅仅局限于对某一单个步骤的改进。为了推动高分辨率PBBP技术的发展,我们总结了实现这一目标所需的三大关键步骤,并通过构建优化路线图,为打印分辨率的提升提供全面指导。

构建精准光场
在PBP技术中,提高打印分辨率的一个核心在于构建可控的投影光场。这一过程的实现首先依赖于打印软件,将设计的3D模型精确地切割成一系列二维图像。随后,这些图像通过一个复杂的光学系统进行投影。该系统通常由光源、均匀透镜组、数字微镜设备(DMD)以及投影透镜组成。光源发出的光线首先经过均匀透镜组,然后照射到DMD上。DMD中的每个微镜根据预设的切片图像反射光线,经过投影透镜的缩放作用后,最终形成投影光场。值得注意的是,这一系列步骤中的每一个环节都会对光学分辨率产生直接影响。无论是PBBP还是PBP,其打印分辨率的上限都受到光学分辨率的制约。  

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图2 构建精准光场


墨水精确响应

提高打印分辨率的第二步是确保生物墨水能够准确地响应光场。为此,在保持生物墨水生物性能的同时,改善其光响应特性显得尤为重要。理想的生物墨水应具备高的光交联速率、适当的交联密度以及良好的流动性。同时,为了确保生物相容性,生物墨水中的化学添加剂应尽可能少。因此,在生物(材料)墨水通常仅包含生物相容性材料、光引发剂、光吸收剂、生物活性成分以及可能的细胞组分。   

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图3 墨水精准响应


维持力学平衡

实现高分辨率PBBP的最后一步在于保持打印过程中的力学平衡。这一步骤至关重要,因为生物墨水通常为超软材料(杨氏模量低于103 Pa)。由于生物墨水与传统材料之间存在显著的力学性能差异,因此,在打印过程中需要谨慎操作以保持机械平衡,否则很容易导致打印结构的断裂和变形,这是PBBP所独有的挑战。   

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图4 维持力学平衡


贺永教授团队从事生物制造研究工作数十年,研究工作涵盖墨水成形理论、打印工艺、打印设备以及应用。近两年的代表性工作包括:
(1)揭示了光固化生物墨水的成形机理,定义了包括平均反应步数等生物墨水成形状态的四项精确评价指标(Advanced Functional Materials, 2023),制定了光固化生物墨水GelMA的命名规范及标准(Advanced Healthcare Materials,2023),给出了高精度光固化生物打印所需遵循的准则(Nature Review Bioengineering, 2024)。与李文妍教授团队合作揭示了可控机械应力驱动细胞行为、诱导听觉神经中的感觉上皮形成机制(Science Advances, 2023)。

(2)提出了基于“生物混凝土”概念的原位3D打印方法,能够在灾难现场、战场等极端环境下实现快速打印及创伤修复(Nature Communications,2022);面向微创手术下如何有效再生,提出了可收缩支架微创植入新方法,为软组织修复提供了新的解决方案(Nature Communications,2024),通过仿蓝环章鱼结构设计新型微针,实现了潮湿环境下药物的有效控释(Science Advances, 2023)。提出3D打印自吸附干细胞支架方法,开发了细胞治疗的高效载体工具(Advanced Science,2023)。

(3)在器官体外再造研究中,与陈昶教授团队合作实现了长段活性气管重建,证明了工程化制造的器官能够移植并长期存活(Science Translational Medicine,2023)。

文章来源:
https://www.nature.com/articles/s44222-024-00218-w   


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