PμSL 3D打印技術在三維復雜組織支架中的應用

3D打印技術近年來被廣泛應用于組織工程應用中，利用這一技術可以穩定可靠加工特定尺寸的復雜三維支架，以有效構筑三維生物模擬環境用以相關生命科學研究。本文以類巴基球這一新型支架結構為例，展示面投影微立體光刻3D打印技術如何快速大面積制作三維精細復雜組織支架。

   細胞在三維生理環境中的形貌和分化與其在二維組織培養環境中有很大的差別，近年來研究者們對三維結構系統中的細胞生理行為進行了廣泛研究。然而，這些三維組織系統在化學組分、力學特性和形狀等方面相比二維系統都復雜的多。如何穩定可靠加工出高質量的三維聚合物支架用于后續系統研究細胞的相關行為，仍是首要亟待解決的難題。3D打印憑借其任意復雜三維加工的優勢，已被廣泛應用于加工各類型組織支架。（如圖1所示）

圖1 使用3D打印技術制作的各類型三維組織支架

相比于其他3D打印技術，面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術具有打印精度高、打印速度快、大幅面跨尺度加工、材料適應范圍廣（聚合物、生物陶瓷等材料）等諸多優點，可適應多種支架結構的打印制作。如圖1c所示，利用PμSL 3D打印技術加工的人工軸突支架，可用于直接觀察和定量髓鞘形成過程，以及髓鞘化細胞對物理因素和藥劑的反應。圖1f所示的青蛙骨頭支架，被用作生長因子傳遞的載體工具，最終實現了骨骼缺損中軟骨到骨骼的再生。
然而，對于一些新型的精細支架結構，由于其結構復雜程度高、特征尺寸小、以及大幅面小批量制作的需求，普通精度的面投影微立體光刻技術3D打印技術仍然難以滿足其制作要求。如圖2所示的鏤空類巴基球結構組織支架（巴基球結構即C60的分子結構，此處討論的結構由該結構衍變而來），單個支架整體尺寸為200 μm直徑，其中的桿徑為14 μm，表面開孔邊長為25 μm。對于普通精度光固化3D打印技術，由于其設備光學分辨率通常大于50 μm，*無法打印出14μm的特征細節。

圖2 類巴基球結構組織支架

深圳摩方材料科技有限公司利用其開發的2 μm光學精度設備nanoArch® S130設備，成功實現了對這一新型支架結構的加工制作。對于結構中的十幾微米桿徑，用2 μm的高分辨像素點可輕易加工完成。另一方面，這一結構為高密度結構，即結構表面開孔只有二十幾微米，特別是在Z方向上。這對于基于層層堆疊的3D打印技術同樣是個巨大的挑戰，即層與層之間既要保持良好的粘接性以實現穩定的支架結構，又要控制其每層固化厚度在合理的數值范圍以保持所需的開孔尺寸。摩方材料通過調節打印材料固化深度、打印層厚及切片圖片，有效地平衡了材料固化厚度和極小開孔尺寸之間的關系，最終制作出高質量的類巴基球結構組織支架，如圖3所示。

圖 3 摩方材料nanoArch® S130打印的類巴基球組織支架結構

本文以類巴基球結構組織支架為例，展示了面投影微立體光刻3D打印技術在三維組織支架方面的加工優勢，為三維結構系統中的細胞生理行為的研究提供了良好的樣件平臺，可有效促進相關組織工程、再生醫藥等應用領域的發展。對于類巴基球這一新型3D組織支架的生物應用研究，本公眾號將在后續進行詳細報道。