PμSL 3D打印技术在三维复杂组织支架中的应用

2022-06-25 15:04:26 342阅读次数

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3D打印技术近年来被广泛应用于组织工程应用中，利用这一技术可以稳定可靠加工特定尺寸的复杂三维支架，以有效构筑三维生物模拟环境用以相关生命科学研究。本文以类巴基球这一新型支架结构为例，展示面投影微立体光刻3D打印技术如何快速大面积制作三维精细复杂组织支架。

细胞在三维生理环境中的形貌和分化与其在二维组织培养环境中有很大的差别，近年来研究者们对三维结构系统中的细胞生理行为进行了广泛研究。然而，这些三维组织系统在化学组分、力学特性和形状等方面相比二维系统都复杂的多。如何稳定可靠加工出高质量的三维聚合物支架用于后续系统研究细胞的相关行为，仍是首要亟待解决的难题。3D打印凭借其任意复杂三维加工的优势，已被广泛应用于加工各类型组织支架。（如图1所示）

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图1 使用3D打印技术制作的各类型三维组织支架

相比于其他3D打印技术，面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术具有打印精度高、打印速度快、大幅面跨尺度加工、材料适应范围广（聚合物、生物陶瓷等材料）等诸多优点，可适应多种支架结构的打印制作。如图1c所示，利用PμSL 3D打印技术加工的人工轴突支架，可用于直接观察和定量髓鞘形成过程，以及髓鞘化细胞对物理因素和药剂的反应。图1f所示的青蛙骨头支架，被用作生长因子传递的载体工具，最终实现了骨骼缺损中软骨到骨骼的再生。
然而，对于一些新型的精细支架结构，由于其结构复杂程度高、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体光刻技术3D打印技术仍然难以满足其制作要求。如图2所示的镂空类巴基球结构组织支架（巴基球结构即C60的分子结构，此处讨论的结构由该结构衍变而来），单个支架整体尺寸为200 μm直径，其中的杆径为14 μm，表面开孔边长为25 μm。对于普通精度光固化3D打印技术，由于其设备光学分辨率通常大于50 μm，完全无法打印出14μm的特征细节。

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图2 类巴基球结构组织支架

深圳摩方材料科技有限公司利用其开发的2 μm光学精度设备nanoArch® S130设备，成功实现了对这一新型支架结构的加工制作。对于结构中的十几微米杆径，用2 μm的高分辨像素点可轻易加工完成。另一方面，这一结构为高密度结构，即结构表面开孔只有二十几微米，特别是在Z方向上。这对于基于层层堆叠的3D打印技术同样是个巨大的挑战，即层与层之间既要保持良好的粘接性以实现稳定的支架结构，又要控制其每层固化厚度在合理的数值范围以保持所需的开孔尺寸。摩方材料通过调节打印材料固化深度、打印层厚及切片图片，有效地平衡了材料固化厚度和极小开孔尺寸之间的关系，最终制作出高质量的类巴基球结构组织支架，如图3所示。

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