在生物制造領域，體積生物打印（VBP）技術發展迅速，它能快速構建復雜的細胞負載水凝膠結構，為大規模組織工程和再生醫學帶來新機遇。通過斷層掃描制造原理，該技術可實現高速度和高分辨率打印，對細胞和類器官也較為安全。然而，VBP技術的廣泛應用面臨諸多挑戰。一方面，斷層掃描打印對生物樹脂的光學和流變學等材料特性有特殊要求，精確調控光交聯動力學至關重要，否則會影響打印精度并導致非預期區域的光劑量積累。另一方面，實現便捷的多材料打印和構建包含多種細胞群體的復雜組織的方法仍有待探索。此前雖有一些解決嘗試，但都存在局限性，如基于微凝膠的方法打印分辨率受限，使用明膠作為添加劑存在打印分辨率低和可打印時間窗口短的問題。  
       來自荷蘭烏得勒支大學的Riccardo Levato教授團隊通過工程化明膠大分子，研究不同分子量和改性程度的明膠對生物樹脂性能的影響，構建了具有不同機械性能的GelMA樹脂庫，并確定了適用于懸浮浴打印和嵌入式擠出體積打印（EmVP）的配方。此外，研究人員還利用多色光學VBP打印機，制造出復雜的多材料和多細胞幾何結構。相關工作以“Multi-material Volumetric Bioprinting and Plug-and-play Suspension Bath Biofabrication via Bioresin Molecular Weight Tuning and via Multiwavelength Alignment Optics”為題發表在《Advanced Materials》上，為VBP技術的發展和應用提供了新的解決方案。 
 

       通過制備不同分子量和改性程度的GelMA水凝膠，利用光流變測試、壓縮測試和3D打印實驗等方法，研究不同GelMA水凝膠配方的機械性能以及它們對體積打印參數的影響。結果表明，不同配方的GelMA水凝膠在交聯動力學、存儲模量等方面存在差異，且分子量和改性程度會影響最佳打印光劑量和最終打印結構的機械性能，如較高分子量和改性程度的配方通常需要較低的最佳打印光劑量，且能形成更硬的水凝膠。
 

2. 溫度對GelMA體積打印參數及性能的影響
采用在不同溫度下對GelMA進行體積打印實驗，并結合光流變測試的方法，研究溫度對GelMA體積打印參數、最終機械性能和交聯動力學的影響。結果顯示，溫度升高會使最佳打印光劑量增加，較低的溫度有利于提高水凝膠的剛度和加快交聯速率，例如GelMA 90p60在4°C下交聯后的溶膠分數低于21°C時的情況，表明低溫能促進更多的MA轉化。
 

3. GelMA材料特性對細胞培養環境的影響
以內分泌胰腺組織工程為應用目標，通過制備不同GelMA材料并進行細胞培養實驗，利用應力松弛測試、Live/Dead檢測等方法，研究GelMA材料特性對細胞培養環境的影響。結果表明，低分子量的GelMA（如90p60）能提供更柔軟的微環境，促進胰島樣細胞的自我聚集和代謝活性，添加特定的細胞外基質成分（如膠原蛋白IV）可進一步增強細胞增殖和胰島素分泌。
 

4. 多材料體積生物打印構建復雜結構
運用順序打印不同GelMA材料的方法，結合多波長對準光學技術，研究多材料體積生物打印構建復雜結構的可行性和準確性。結果顯示，該方法能夠成功打印出具有不同機械性能的多材料結構，如交織環和手型模型等，且打印精度較高，平均尺寸偏差較小，證明了多材料VBP在構建復雜細胞負載結構方面的可行性。
 

5. 低分子量明膠用于嵌入式擠出體積打印的性能研究
通過對比不同分子量明膠及GelMA作為支撐浴的性能，利用應力/恢復測試、剪切應變掃描測試等方法，研究低分子量明膠用于嵌入式擠出體積打印（EmVP）的可行性和優勢。結果表明，低分子量明膠（如90p60 GelMA）具有自愈合特性，可作為理想的支撐浴材料，能實現高分辨率和高形狀保真度的打印，且能通過EmVP快速制造復雜的微流體芯片和多細胞結構。
 

研究結論
     體積生物打印（VBP）技術結合斷層掃描制造原理與光響應生物樹脂，為大規模組織工程和再生醫學帶來了新的可能。然而，開發具有明確且可重復特性的生物樹脂仍是關鍵挑戰。研究發現，GelMA 的分子量、改性程度、溫度和聚合物濃度之間的相互作用對材料的可打印性和最終機械性能至關重要。精確調整光交聯動力學對于確保準確的體積打印、避免過度交聯和打印缺陷十分關鍵。此外，通過工程化明膠大分子，制備出了具有廣泛特性和可打印性的生物樹脂，部分明膠和 GelMA 展現出的穩定剪切屈服行為，使其可同時作為 VBP 樹脂和嵌入式打印的懸浮浴，無需復雜添加劑或增稠劑。這些材料可用于多色 VBP 打印機，構建復雜的多材料和多細胞幾何結構，為生物醫學和制藥研究中的組織模型構建提供了新途徑。

挑戰與展望
      在材料方面，需要進一步探索和優化生物樹脂，以滿足更復雜的組織工程需求，如模擬天然組織的多尺度結構和功能。目前的打印分辨率和構建體的復雜性仍有提升空間，且多材料打印中不同材料間的兼容性和界面結合問題還需解決。未來，有望開發出更先進的生物墨水和打印技術，提高打印精度和速度，實現更高層次的組織構建。結合微流體、生物傳感器等技術，可構建更具生理相關性的體外組織模型，為藥物篩選、疾病研究等提供更有效的工具，推動再生醫學和生物制造領域的發展。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202409355

(責任編輯：admin)

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