Research：多材料投影式生物3D打印

来源：EngineeringForLife

准确重建自然生物组织的复杂结构是生物3D打印的长期目标。投影式3D打印（PBP）在所有3D打印技术中具有更好的分辨率/制造时间（RTM）比，被认为是下一代生物打印的主流方案之一。尽管如此，使用具有不同力学性能的生物墨水进行标准化、高保真度和高分辨率的打印仍然是一项艰巨的挑战。这种局限性源于缺乏系统性的研究和成熟的打印设备。关于多材料生物3D打印（PBBP）的许多关键问题尚未得到解答。例如：多材料生物墨水的聚合特性有何不同？哪些材料组合适合多材料打印？如何避免交叉污染？如何评估打印分辨率？打印系统应该如何架构？

为系统回答这些问题，EFL团队在《Research》期刊上发表了题为“Printability in multi-material Projection-based 3D Bioprinting”的研究论文，浙江大学杨华勇院士、贺永教授为共同通讯作者，博士生何超凡为第一作者。

本文首先总结了多材料PBBP的基本框架。该框架涵盖打印设备、材料要求、墨水切换、聚合特性、交叉污染、分辨率评估等六个关键方面。在此基础上，设计并发明了基于料槽切换式的多材料打印装备，可支持六种材料同步打印，提出了流体控制冲洗-负压辅助毛细吸附的协同清洁方法，集成了专用的生物打印操作系统、力学监控系统、可视化模块、激光校准装置和柔性剥离机构，以确保打印设备的稳定性和可操作性。   

图1 多材料投影式生物3D打印基本框架与标准流程

多材料墨水的聚合特性
水凝胶因其高含水量、优异的生物相容性以及可降解性，在生物墨水领域得到了广泛的应用。然而，水凝胶分子的自然扩散特性导致不同墨水之间容易发生交叉污染，这对构建具有复杂界面的生物结构构成了重大挑战。目前，对于多材料生物墨水的光聚合行为，尤其是界面处的光聚合动力学和机理，尚缺乏深入的理解。本研究系统地探究了多材料生物墨水的光聚合行为与特性。实验结果显示，与单组分水凝胶相比，多组分水凝胶的凝胶点时间明显提前，即表现出聚合加速行为。但这一现象并非源于双键转化率的绝对值或增长速率的提升。通过对平均交联步数的测试发现，在固化前期，多组分墨水的单体分子发生了更多的链增长反应。这表明不同光敏基团之间存在协同作用，有利于链式反应的快速发生。水凝胶的微观孔隙结构进一步证实了混合墨水发生了更高频率的链增长反应，不同单体的相互嵌套促进了三维聚合网络的形成。   

图2 多材料生物墨水的聚合特性

多材料PBBP可打印标准
人体组织往往具有软硬结合的特性，例如骨骼和软骨、皮肤和肌肉等。为了更真实地模拟组织微环境，多材料生物3D打印往往会使用具有不同力学特性的水凝胶来模拟不同的组织。然而，力学强度差异过大的水凝胶可能会面临力学失配与界面结合强度不足的问题（图4.6）。因此，探究软硬复合水凝胶的界面结合强度规律，并判断材料组合是否适合于多材料3D打印对于优化打印工艺非常重要。本文提出了基于断裂能的界面结合强度判断标准，并作为可打印判据。探究了界面结构的过渡区域（TR）和面积比（AR）对可打印窗口的影响规律。   

图3 多材料PBBP的可打印标准

多材料PBBP的交叉污染
多材料PBBP的交叉污染可以分为渗透污染和残留污染两类。渗透污染是指固化后的水凝胶分子网络易于被其他材料渗透。这是几乎不可避免的。因此，为了探究粘性生物墨水在水凝胶聚合网络中的渗透规律，建立了粘性生物墨水渗透测试标准方案，并研究了水凝胶分子量和渗透物质分子量对渗透率的影响。残留污染则是指在墨水切换过程中，残留在打印结构表面的其他墨水会污染后续装载在不同料槽中的墨水，导致墨水性能变化。可通过适当的清洗程序有效避免。本文详细测试并优化了流体冲洗和负压辅助毛细吸附的工艺参数，有效避免了交叉污染。

图4 多材料PBBP的交叉污染

多材料PBBP的打印分辨率
打印分辨率是评估3D打印技术制造能力的关键指标。然而，现有的打印分辨率研究主要集中于传统单材料打印，对于多材料PBBP打印的分辨率误差来源和评估标准尚缺乏系统研究。这是因为多材料打印引入了多种具有不同特性的材料，使得打印过程更加复杂，导致影响因素之间相互耦合，难以准确分析分辨率误差的来源和制定有效的评估标准。在多材料PBBP中，打印误差来源主要有以下三类：A类分辨率劣化：光固化不足或过度固化导致的尺寸偏差；B类分辨率劣化：层内多材料打印的相互影响；C类分辨率劣化：墨水交叉污染导致的分辨率下降。本文构建了交替辐条结构的多材料打印分辨率标准测试模型对打印分辨率进行系统测试与分析。   

图5 多材料PBBP的打印分辨率

多材料打印效果
为验证层间和层内多材料打印打印质量，成功制备了具有不同编织、嵌套和悬垂特征的晶格结构，打印结构展现出清晰的材料界面、高结构保真度和理想的力学性能。此外，还设计并打印了仿生气管模型和肝小叶模型，该模型由两种细胞负载生物墨水（RFP-hCMEC和GFP-PAN02）构成（图6A），打印结构中细胞界面清晰，结构保真度良好。  

图6 多材料打印设备

参考资料：
https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0613