光固化打印新技术的实用与展望

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光固化打印新技术的实用与展望

2021.3.01

光，在人类文明史上极其重要。我们从发现光、了解光、研究光、到使用光，经历了千百年的技术变革。3D打印也无可避免的使用了光，其无接触式、灵活的交联方法让许多研究者对其趋之若鹜。本文带您深入浅出的看懂这种技术和未来的发展空间。

关于光固化打印技术

基于光固化的打印技术可在精确控制的光照下固化光敏聚合物形成结构。光固化技术除了能运用于化工，材料等领域，最前沿的应用莫过于其在生命科学和医学领域的应用了。

神经系统的疾病，比如阿尔兹海默症，帕金森，癫痫等，影响了全球约1/6的人口，之前人们对其病因的起因和进展研究也因研究大脑原位的传统技术的局限性而受到阻碍。新的技术和方法能够利用实验室中生长的3D打印的微型“类大脑”神经元系统来研究大脑（上普学术 | 微型脑打印为脑肿瘤治疗提供突破口）。研究人员而无需采用活体动物，就可以研究神经元是如何交流和自我组织的。在“类大脑“等类器官模型的建立的过程中，被打印成类器官的细胞通常被包裹在水凝胶生物材料中。理想的生物材料是在三维环境中培养的目标组织的仿生，模拟目标组织的机械、结构、生化和扩散特性，同时保持与细胞的生物相容性。比如甲基丙烯酸透明质酸(methacrylated hyaluronic acid)——HAMA就是一种适合打印神经系统结缔组织的细胞外基质的液态生物材料（生物墨水）。

生物3D打印需要经历一个从生物墨水到通过光引发的自由基聚合反应实现的半固态交联网络的相变——光固化，以形成相应的生物材料结构。在培养和打印神经系统结缔组织的研究过程中，科学家们发现较软的HAMA 3D打印结构驱使神经前体细胞（NPC）朝向神经表型，而具有类似于成人脑的较硬机械性质的HAMA 3D打印结构有利于NPC分化成星形胶质细胞。因此，如何控制好基于生物墨水的3D打印结构的强度就对于后期神经系统的研究有着重要的意义。

Antill-O’Brien et al. Layer-By-Layer: The Case for 3D Bioprinting Neurons to Create Patient-Specific Epilepsy Models. Materials (Basel). 2019 Oct; 12(19): 3218.

较好的光固化技术可以有效的控制/调节材料的力学性能和降解度，生物相容性更好，并可按需增强打印结构的弹性和延长储存时间；而目前采用的光固化技术，低粘度的材料不容易成型，光的强度和光照时间不容易精确条件，这使得打印结构的硬度和强度难以控制，难以形成精细结构，复杂结构。

适合光固化的材料与工艺

作为一种理想的3D打印材料，它应该具有足够好的机械强度和结构完整性，同时应该具有很好的生物相容性，因此更适合使用天然的生物材料来弥补合成的高分子材料的不足。但是天然的生物材料在可打印性和机械特性上却存在不足，而且，细胞的生物活性也会因3D生物材料的结构和机械性能受到重要影响。光固化是最有前途的生物制造技术之一——它无创，且使得整个打印过程简单化：低粘度材料挤出后就可以马上光照成型，光强度，曝光时间和光照速度都可调节，也可局部曝光。

适合同步光固化的生物材料可以使用紫外光固化。许多天然生物材料比如明胶、羟基磷灰石、丝素蛋白、果胶等通过丙烯酸改性可以在紫外365nm波长交联并且3D打印出来。

3D 打印可以通过多种技术方法：比如喷墨（ink-jet），激光辅助（laser-based printing, 如stereolithography）或者挤出式（extrusion）。喷墨式采用热或压电传动装置（piezoelectric actuator）固化，打印受限于低粘度材料；激光辅助式打印虽然打印无需支持材料，但可使用的墨水非常有限；而挤出式打印适合的生物材料非常多。