《先进材料》3D打印新速度！22秒打印出含活细胞的耳朵支架

来源：高分子科学前沿

背景介绍

自从生物材料界泰斗美国三院院士Robert Langer提出组织工程的概念后，现代医学一直致力于寻找合适的支架材料，干细胞以及生长因子去实现组织再生用于替代已经坏死或者缺损的部分。试想有一天人类不在需要器官移植去治疗脏器衰竭，尽尽需要利用自己身上的干细胞就能复刻出完全没有排异的器官。尽管设想非常美好，组织再生的研究也仅仅处于起步阶段，而这在很大程度上是由于材料方面的问题。人体的组织和器官有着非常复杂和精巧的空间结构，譬如NBA球员最脆弱的零件半月板就有着特殊的外表拓扑结构并且内部是多孔疏松的阵列在力学上能够有效地分散受力。在组织再生的过程中，应用的材料要尽可能地还原组织原有的构型才能最大程度上发挥作用。由于大部分的组织和器官都是不规则，去制备对这些支架对材料科学家来说是一个很大的挑战。近年来由于生物3D打印的兴起，生物相容的树脂可以有效准备特殊形状的支架同时包埋细胞，但是最常见的方法，如立体光刻(stereolithography)和挤出打印（extrusion-based printing）在生物3D 打印中都有或多或少的问题，例如打印时间过长会导致细胞沉积和死亡。

研究介绍

立体打印（Volumetric Printing）是加州伯克利大学Hayden K. Taylor教授今年提出的新颖的打印方法：各个方向的二维投影到一个圆柱体的光敏树脂中，圆柱体在不停旋转中在很短时间内（小于1分钟）特定形貌的结构就会形成。相关论文以“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”为题目，发表在《Science》上（《Science》3D打印革命性升级！只要光照几十秒，完美雕像浮出水面）

以光为刀，简单照射。

需要打印的物体就在水中出现

近日，荷兰乌得勒支大Riccardo研究小组首次使用“立体打印”技术实现生物3D打印。只要短短22秒的时间，对，你没有看错只要22秒，包含有细胞的耳朵支架就能成型（图1）。相关论文以“Volumetric Bioprinting of Complex Living‐Tissue Constructs within Seconds”为题目，发表在Advanced Materials上。

图1. A) 和B)是volumetric printing的示意图，一个旋转的圆柱形容器中装有光敏树脂和细胞，各个角度的投影到圆柱体中制备得到载有细胞的耳朵（C）。

构建这样一个3D打印体系非常容易，只需要常见的光敏生物相容树脂（甲基丙烯酰氯）和合适的光敏剂。光敏剂的浓度和吸光系数很重要，因为整个过程是在空间上选择性的交联，容器背部的透光率要维持在37%及以上。和传统的生物3D打印方法 （extrusion-basedprinting 和Digital light processing）相比这个方法大大缩短了时间（从几个小时缩短到几十秒钟）。不仅如此，如果把模型放大两倍到三倍，打印时间还是维持一样！更逆天的是，如此迅捷的打印不仅没有损失打印的精度，表面的平滑还原度甚至远远超过了其他两种方法！

图2. A) 在光引发剂存在的情况下光透过的示意图 B) 用三种打印方法打印一个人耳模型所用时间的对比以及模型表面形貌的对比（C）

除了耳朵，研究团队还挑战了松质骨模型，成功包埋造骨细胞（O-MSCs红色）在支架内并且保持了85%的活性展现了极强的代谢能力。之后继续加入内皮克隆形成细胞（ECFCs绿色）和间充质基质细胞(P-MSCs黄色)，协同促进血管形成。这种方法在组织再生领域展示了无限的潜力。综上这种新的生物3D打印方法真正意义上做到了“更快，更逼真，更安全”。

图3. i) 松质骨模型打印并且包埋细胞长达7日 ii)模型的CT

加入内皮克隆形成细胞（ECFCs绿色）和间充质基质细胞(P-MSCs黄色)，协同促进血管形成 

原文链接： 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904209