27 / 2024-08-26 13:30:40

载细胞极软生物墨水的高精度数字光处理（DLP）打印

载细胞打印,数字光处理,生物墨水,屈服应力流体

目的：器官移植是目前治疗器官衰竭等疾病最有效的方法之一，但由于供体来源有限，很多病人无法进行有效的器官移植手术。组织工程技术能够制造人工组织和器官，为器官移植提供新的供体来源。然而，由于人体组织器官大多数都是极其柔软的物质，其硬度通常在10^-1~10² kPa之间，因此用于构建支架的材料应具有与之相同的力学性质。此外，组织器官具有复杂的内部结构，用于执行特殊的功能，但由于极软支架材料容易发生重力变形和粘附等问题，利用极软生物材料构建复杂的结构非常困难。因此，需要开发一种利用极软生物材料构建复杂结构立体结构的方法

方法：利用光固化生物3D打印技术可以进行复杂立体结构成形，但是无法解决极软生物材料复杂立体结构成形的问题。挤出式3D打印技术中的悬浮打印技术，为极软材料的复杂立体结构成形提供可能，通过具有屈服应力性质的支持浴材料实现打印结构的原位支撑，防止其发生成形失效。但是这一技术无法应用在DLP打印技术中，这受限于DLP打印技术的打印工艺及用于DLP打印的生物墨水的材料性质。针对这一问题，本工作从三方面进行了研究：首先，针对传统DLP技术的成形过程，研究了其单层固化的理论模型，通过对固化时间阈值、固液吸光度等物理量的定义，获得了DLP技术的理论工作曲线模型；其次，基于对该模型的分析，对传统DLP打印技术的工艺流程进行了改进，对其中会对支持浴进行撕裂的往复运动进行了优化，开发连续DLP打印工艺，实现材料的高效高精度成形，并实现打印结构周围支持浴结构的完整；最后，开发一种具有屈服应力性质的生物墨水，结合连续DLP生物3D打印技术，在进行极软生物墨水成形的过程中构建动态支持浴结构，实现对打印结构的动态原位支撑，从而实现极软生物墨水的复杂立体结构成形，并保证支架所载细胞行使正常的细胞功能。

结果：本工作提出的理论工作曲线模型，通过材料的物理性质确定其光固化打印参数，优化了传统的DLP打印中需要利用成形实验进行重复多次实验并进行数据拟合的繁琐过程；而利用这一理论进行工艺优化进行的连续DLP打印技术，可以将传统的DLP打印效率提升10倍以上，同时可以实现将打印结构的表面质量提升10倍以上，而由于打印效率的提升，打印结构中的细胞的生物活性可以保持在90%以上。利用这一打印技术，本工作合成的具有屈服应力性质的生物墨水，可以在维持打印结构的力学强度为4.3 kPa的基础上，实现分辨率为100μm的复杂立体结构成形，实现接近人体组织结构力学强度的复杂结构组织工程支架的成形。

结论：本工作不仅实现了DLP打印技术打印参数的理论化获取，而且通过工艺优化有效提升了打印效率和打印质量，并基于此实现了极软生物墨水的复杂立体结构成形，为组织工程的进一步发展提供技术支持。