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LAM 面向组织支架制造的光学3D打印技术

时间:2022-05-18 09:13 来源:澎湃新闻 作者:admin 阅读:
极光尔沃
        组织工程学这一概念最早由美国国家科学基金委员会在1987年提出,在此后的三十多年间快速发展。在组织工程学领域,研究人员和医疗工作者通过在人造的组织支架中载入治疗性的细胞和生物学信号从而实现细胞的特定贴附、生长和分化,然后将支架植入体内促进器官和组织的修复或再生。图1 利用光学3D打印技术制造的用于组织工程的3D培养支架


图1 利用光学3D打印技术制造的用于组织工程的3D培养支架


        使用安全且具有生物活性的材料三维(缩写:3D)打印的生物支架,相比传统二维细胞和组织培养系统(如培养皿等),在结构和功能上与体内环境更为相近,并且可以模拟生物组织的复杂结构,促进细胞之间和细胞与胞外基质(名词解释>)之间的相互作用,具有极大的研究和应用前景。
        目前,适用于3D支架打印的技术可分为非光学技术(如熔融沉积成型、电子束自由成型、纺丝成型等)和光学技术(如光固化立体成型、选择性激光烧结成型、多光子聚合成型等)两类。其中光学3D打印技术在制造精度、质量、再现性和成型效率方面具有明显优势。因此,光学3D打印技术在组织工程学,特别是在细胞培养支架设计加工及其相关应用方面引起了广泛关注,具有极大的研究和应用前景。为此,香港中文大学 Shih-Chi Chen 教授课题组以“Advanced Optical Methods and Materials for Fabricating 3D Tissue Scaffolds”为题在  Light: Advanced Manufacturing 上发表综述文章。
       该篇综述全面介绍了光学3D打印技术,并围绕制造精度、成型速度、材料和应用场景等方面总结和比较了不同光学3D打印技术的优缺点。本综述为光学和组织工程领域的读者提供了根据不同的应用场景选择合适打印方法的参考指南。
光学3D打印技术
目前用于3D支架打印的光学3D打印技术主要包括(拓展阅读>):
1. 材料喷射/挤出成型技术(Material jetting/extrusion)
2. 光固化立体成型技术(Stereolithography, SLA)
3. 选择性激光烧结成型技术 (Selective Laser Sintering, SLS)
4. 双光子聚合成型技术 (Two-photon Polymerization, TPP)
5. 体积成型技术(Volumetric Fabrication)图 2 不同光学3D打印技术的制造速度和精度对比图(标签数字对应论文中的相关参考文献编号)

图 2 不同光学3D打印技术的制造速度和精度对比图(标签数字对应论文中的相关参考文献编号)


基于材料喷射/挤出的光学3D打印技术操作简单、适用范围广,具有较高吞吐量,可与各类具有良好生物相容性的材料搭配使用,是组织工程中多种类型支架制造的直接解决方案。然而,百微米量级的制造精度使得该方法无法适用于对支架结构有更细致精度要求的应用。
SLA和SLS的可用材料范围广,是目前主导市场且商业化较成熟的两种光学3D打印方法,相比于材料喷射/挤出成型技术具有更好的制造效率和精度。
TPP方法虽然制造速度稍慢(10-100 mm3/h),但具有最佳的分辨率,可达到百纳米或更高,且具有打印任意3D结构的能力。因此,TPP技术在制造具有复杂结构的小型支架方面具有巨大的潜力。TPP作为目前较为先进的光学技术,相关TPP打印结合生物医学应用的研究较少,因此,进一步开发适用于TPP打印技术的生物材料,探寻更多相关组织工程应用的可能性,对未来基于TPP的3D打印技术的发展至关重要。
体积成型3D打印技术的制造吞吐量可高达1 L/h。然而,这类方法受到制造精度和可选材料的限制。现有报道中,该技术大多用于制备百微米孔径的3D支架。图3 香港中文大学Shih-Chi Chen教授课题组开发的飞秒投影双光子光刻(FP-TPL)系统(吞吐量10 - 100 mm3/h,体素精度达到百纳米(拓展阅读))

图3 香港中文大学Shih-Chi Chen教授课题组开发的飞秒投影双光子光刻(FP-TPL)系统(吞吐量10 - 100 mm3/h,体素精度达到百纳米(拓展阅读))


材料及应用
根据不同的生物医学应用和3D打印技术特点,可选择相应适配的打印材料,包括金属及合金、陶瓷、(天然和人工)聚合物、复合材料等。
金属/合金以及陶瓷材料因其较高的机械强度,适合利用SLS制造三维支架,并常用于骨组织修复。高分子聚合物作为一种被广泛应用于制造生物支架的材料,可分为天然和合成聚合物生物支架,具有独特的生物和物理特性(如生物相容性、机械、组织适应性、生物降解性等),在药物传输、骨/软骨组织植入修复、神经再生领域有着巨大的应用前景。图4 羟磷灰石多孔支架


图4 羟磷灰石多孔支架


实际应用中,聚合物支架的制造大多采用SLA或材料喷射/挤出成型技术实现。近年来,人工合成聚合物在支架制造中表现出了更好的灵活性、可再现性、可加工性、批处理一致性等。虽然合成聚合物本身缺乏天然材料的生物活性,但可通过改变聚合物基团或引入不同的官能团来控制材料降解、调节机械性能、增强生物活性,从而为合成聚合物在组织工程中的应用奠定基础。

尽管支架的功能可以通过单独使用金属、陶瓷或聚合物实现,但这些材料自身的缺陷限制了更广泛的应用,如金属的毒性、陶瓷的脆性、聚合物的低机械强度等。因此,通过不同材料组合实现新型复合材料,可获得最佳的物理生物特性、满足具体应用的要求。

基于上述光学3D打印技术和材料,本综述还介绍了3D支架制造在组织工程中的代表性应用,包括体外细胞培养、药物传输、骨/软骨组织修复再生等。特别是重点介绍了不同光学技术在各应用中的实例,讨论了各应用下3D打印技术面临的问题和挑战。图5 癌细胞通过多孔的3D立方体支架迁移


图5 癌细胞通过多孔的3D立方体支架迁移


总结
       光学3D打印技术凭借其优越的性能和低廉的成本,日益成为组织工程学中的重要技术手段。更广泛的应用前景不仅依赖于光学系统的改进,也取决于新材料的突破。本综述最后指出开发高吞吐量和快速成型的新技术、多材料和多功能高度集成的新方案是两个未来需要解决的重要挑战。
实际应用、可选材料和3D打印技术之间的协同和相互助力是推动组织工程中3D培养支架制造技术快速革新的关键。简言之,对先进3D支架的需求一直是材料和3D打印技术发展的驱动力,反之亦然。

| 论文信息 |
Li et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:26  
https://doi.org/10.37188/lam.2022.026

(责任编辑:admin)

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