3D打印技術(shù)近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于組織工程應(yīng)用中，利用這一技術(shù)可以穩(wěn)定可靠加工特定尺寸的復(fù)雜三維支架，以有效構(gòu)筑三維生物模擬環(huán)境用以相關(guān)生命科學(xué)研究。本文以類(lèi)巴基球這一新型支架結(jié)構(gòu)為例，展示面投影微立體光刻3D打印技術(shù)如何快速大面積制作三維精細(xì)復(fù)雜組織支架。

細(xì)胞在三維生理環(huán)境中的形貌和分化與其在二維組織培養(yǎng)環(huán)境中有很大的差別，近年來(lái)研究者們對(duì)三維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的細(xì)胞生理行為進(jìn)行了廣泛研究。然而，這些三維組織系統(tǒng)在化學(xué)組分、力學(xué)特性和形狀等方面相比二維系統(tǒng)都復(fù)雜的多。如何穩(wěn)定可靠加工出高質(zhì)量的三維聚合物支架用于后續(xù)系統(tǒng)研究細(xì)胞的相關(guān)行為，仍是首要亟待解決的難題。3D打印憑借其任意復(fù)雜三維加工的優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于加工各類(lèi)型組織支架。（如圖1所示）

圖1 使用3D打印技術(shù)制作的各類(lèi)型三維組織支架

相比于其他3D打印技術(shù)，面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)具有打印精度高、打印速度快、大幅面跨尺度加工、材料適應(yīng)范圍廣（聚合物、生物陶瓷等材料）等諸多優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)多種支架結(jié)構(gòu)的打印制作。如圖1c所示，利用PμSL 3D打印技術(shù)加工的人工軸突支架，可用于直接觀察和定量髓鞘形成過(guò)程，以及髓鞘化細(xì)胞對(duì)物理因素和藥劑的反應(yīng)。圖1f所示的青蛙骨頭支架，被用作生長(zhǎng)因子傳遞的載體工具，最終實(shí)現(xiàn)了骨骼缺損中軟骨到骨骼的再生。

然而，對(duì)于一些新型的精細(xì)支架結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)3D打印技術(shù)仍然難以滿(mǎn)足其制作要求。如圖2所示的鏤空類(lèi)巴基球結(jié)構(gòu)組織支架（巴基球結(jié)構(gòu)即C60的分子結(jié)構(gòu)，此處討論的結(jié)構(gòu)由該結(jié)構(gòu)衍變而來(lái)），單個(gè)支架整體尺寸為200 μm直徑，其中的桿徑為14 μm，表面開(kāi)孔邊長(zhǎng)為25 μm。對(duì)于普通精度光固化3D打印技術(shù)，由于其設(shè)備光學(xué)分辨率通常大于50 μm，完全無(wú)法打印出14μm的特征細(xì)節(jié)。

圖2 類(lèi)巴基球結(jié)構(gòu)組織支架

深圳摩方材料科技有限公司利用其開(kāi)發(fā)的2 μm光學(xué)精度設(shè)備nanoArch? S130設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一新型支架結(jié)構(gòu)的加工制作。對(duì)于結(jié)構(gòu)中的十幾微米桿徑，用2 μm的高分辨像素點(diǎn)可輕易加工完成。另一方面，這一結(jié)構(gòu)為高密度結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)表面開(kāi)孔只有二十幾微米，特別是在Z方向上。這對(duì)于基于層層堆疊的3D打印技術(shù)同樣是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，即層與層之間既要保持良好的粘接性以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的支架結(jié)構(gòu)，又要控制其每層固化厚度在合理的數(shù)值范圍以保持所需的開(kāi)孔尺寸。摩方材料通過(guò)調(diào)節(jié)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(kāi)孔尺寸之間的關(guān)系，最終制作出高質(zhì)量的類(lèi)巴基球結(jié)構(gòu)組織支架，如圖3所示。

圖 3 摩方材料nanoArch? S130打印的類(lèi)巴基球組織支架結(jié)構(gòu)

本文以類(lèi)巴基球結(jié)構(gòu)組織支架為例，展示了面投影微立體光刻3D打印技術(shù)在三維組織支架方面的加工優(yōu)勢(shì)，為三維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的細(xì)胞生理行為的研究提供了良好的樣件平臺(tái)，可有效促進(jìn)相關(guān)組織工程、再生醫(yī)藥等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。對(duì)于類(lèi)巴基球這一新型3D組織支架的生物應(yīng)用研究，本公眾號(hào)將在后續(xù)進(jìn)行詳細(xì)報(bào)道。