Adv. Mater. 用非黏性可光交联的墨水3D打印水凝胶

【引言】

对生物功能组分（如细胞、细胞外基质、生长因子）在类组织支架中进行三维的控制对组织工程至关重要。3D打印在这一领域中受到人们的关注，由于其能够将材料和细胞一起打印成组织，并且可以实现高分辨、复杂的因具体应用和病人而异的设计。但是大部分的3D打印方法都需要将生物墨水挤压出去然后迅速固化，因此生物墨水需要是黏性的或者需要其它因素使其固化（如温度、离子）。

可光交联的水凝胶也可用于3D打印，但是它的黏度一般很低，使其不能快速固化而维持所打印的结构。可以在挤压前或挤压后将水凝胶固化，但是挤压前固化时所需的挤压力大并且不一致，导致结构的不一致和细胞存活率低，挤压后固化时不能维持打印时的结构。

【成果简介】

最近宾夕法尼亚大学的Jason A. Burdick（通讯作者）等人提出了一种“原位交联”的方法来解决上述问题。他们在挤出口前端使用可透光的毛细管（图1A），光可以透过毛细管使里面的水凝胶发生固化，但是又不影响其挤出性能。这种方法不需使用添加剂、适用于不同的水凝胶、细胞存活率高并且还能打印异质的和复杂的结构。

【图文导读】

图1 常用的生物打印方法

（A）三种不同固化可交联水凝胶的方法，即挤出前、挤出后和挤出时（原位交联）固化；

（B）用紫外光照射时存储（G’）和损失（G’’）模量的代表性曲线；

（C）挤出所需力与时间的关系；

（D）用各种固化方法得到的结构；

（E）细胞存活率。

图2用原位交联过程进行3D打印

（A）挤出速度与进给速度的示意图（上），挤出速度和进给速度的相对大小对最终结构的影响；

（B）在旋转的棒上打印空心管；

（C-E）分别代表使用这种方法打印的格子结构、空心管结构和鼻子结构；

（F）上图表示用不同的生物墨水打印原丝的荧光照片和相应的截面，下图表示用对应上图墨水打印的空心环状结构受力是的照片。

图3 细胞在打印结构上的存活率和行为

（A）3T3细胞在用不同墨水打印的结构上的生/死染色荧光图；

（B）打印不同时间后细胞的存活率；

（C）三种不同墨水中细胞的荧光图和细胞在近表面和里面的单个细胞图片；

（D）细胞在近表面和里面的充实度（circularity）。

图4 用原位交联法打印的各种复杂结构

（A）打印核-壳结构的示意图；

（B）用不同荧光团标记的墨水打印出来的原丝荧光图；

（C）含有用不同染料标记细胞的墨水打印出来的原丝荧光图；

（D）打印交替结构异质原丝的示意图；

（E）用不同荧光团标记的墨水打印出来的原丝荧光图；

（F）含有用不同染料标记细胞的墨水打印出来的原丝荧光图；

（G）打印空心原丝的示意图；

（H）灌注前和灌注后的空心结构图；

（I）细胞在空心结构中。

【总结与展望】

作者开发了一种用于打印非黏性可光交联水凝胶的方法，这种方法可通用化，使得我们能够打印一系列的水凝胶用于生物医学中。

文献链接：A Generalizable Strategy for the 3D Bioprinting of Hydrogels from Nonviscous Photo-crosslinkable Inks（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604983）

本文由材料人生物材料组陈昭铭供稿，材料牛编辑整理。

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