光活化材料在组织生物打印中的应用全景综述

Lee et al. | Chemical Reviews 2020 | DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00077

标签: #综述 #光固化 #生物打印 #DLP #双光子 #GelMA #光引发剂 #CELLINK

一、本文综述了什么

本文是 Chemical Reviews（化学领域顶级综述期刊，IF 72.1）发表的一篇78页超级综述，系统覆盖了光活化材料（Photoactivated Materials）在3D生物打印领域的全景应用。文章按"材料工具箱→打印技术→组织应用→未来展望"的逻辑，全面梳理了光固化生物打印从化学原理到临床应用的完整知识链。

核心论点：光可以作为化学键形成或降解的触发器，实现对材料化学、物理和生物属性的前所未有的时空控制。从纳米级到厘米级的分辨率和构建尺寸范围，光介导的生物制造允许多细胞和多尺度的组织结构精确构建。

文章覆盖六大板块：

1. 光活化材料工具箱：光引发剂（1PI/2PI）、光交联化学（链增长/逐步增长/光氧化还原）、光降解/光脱笼反应
2. 常用光敏生物墨水：Gelatin（GelMA）、透明质酸（HA-MA）、PEG（PEGDA）、海藻酸盐、胶原蛋白、PVA
3. 挤出式生物打印中的光固化：材料策略、嵌入式打印、硬件进展
4. 液滴式生物打印中的光活化：喷墨/压电打印+光交联
5. 槽式聚合生物打印（Vat Polymerization）：DLP/投影SLA、双光子SLA
6. 双光子微制造：2P键形成/断裂、3D细胞图案化、光脱笼

图1：人体五大组织/器官（皮肤、动脉、骨、肝、心）在不同解剖尺度下的结构层次，以及对应的生物制造技术适用性。左侧绿色区域（DEPOSITION）：挤出式等沉积技术适合厘米-毫米级结构；右侧蓝紫色区域（VAT POLYMERIZATION）：DLP/SLA等光固化技术适合毫米-微米级高精度结构。底部标尺从10cm到10μm。

二、综合比较的核心结论

主题 A：光交联化学——三大策略对比

共识：光固化生物打印的核心是光引发剂（PI）在光照下产生自由基或阳离子，触发单体/大分子单体交联形成水凝胶网络。

光引发剂的选择直接决定细胞存活率：LAP（可见光，405nm）比传统 Irgacure 2959（UV，365nm）光毒性低得多，细胞存活率从~70%提升到>95%。

图2：链增长聚合（A）vs逐步增长聚合（B）的聚合物网络形成机制对比。链增长形成不均匀网络（高交联密度区域+松散区域），逐步增长形成更均匀的网络结构，力学性能更可控。

主题 B：光敏生物墨水——GelMA 是绝对主角

GelMA（甲基丙烯酰化明胶）是本文出现频率最高的光敏生物墨水，原因：

• 生物相容性：明胶来源天然，含 RGD 细胞黏附序列
• 光敏性：甲基丙烯酰基团可被 UV/可见光交联
• 可调性：取代度（DS）可调，控制力学性能和降解速率
• 广泛应用：从挤出式到 DLP 到双光子，GelMA 适用于所有打印模态

其他常用光敏水凝胶：HA-MA（透明质酸）、PEGDA（聚乙二醇双丙烯酸酯）、光交联海藻酸盐、胶原甲基丙烯酰酯（ColMA）、PVA 衍生物。

主题 C：挤出式生物打印中的光固化

共识：挤出式是最成熟的生物打印技术，但面临打印保真度和结构稳定性的挑战。光固化提供了快速原位固化的解决方案。

关键策略：

1. 嵌入式打印（Embedded Printing）：在支撑浴（如 GelMA 微凝胶浴、Pluronic F127）中挤出，打印后 UV 固化，可打印悬垂结构和复杂血管网络
2. 同轴喷嘴（Coaxial Nozzle）：外壳含光敏材料+藻酸盐，内核含细胞和光引发剂，挤出后先离子交联再光固化，实现双重固化
3. 快速 UV 交联：在喷嘴出口安装 UV LED，挤出瞬间固化，提高形状保真度

图3：挤出式生物打印的材料策略——流变性能调控（剪切变稀）、嵌入式打印、快速UV交联、纳米颗粒增强等，提高打印保真度和细胞存活率。

挤出式生物打印的应用场景广泛：血管分支模型、多层皮肤、心肌组织、软骨修复、神经导管等。多细胞共打印（Multi-cellular printing）可同时沉积不同细胞类型，模拟复杂组织微环境。

图4：挤出式生物打印的多组织应用——血管出芽与通道曲率关系、多细胞共打印（内皮+成纤维+角质形成细胞）、心肌组织排列、软骨修复等。

主题 D：DLP 投影式光固化——高精度打印的利器

DLP（Digital Light Processing）通过数字微镜器件（DMD）将图案化的光投射到树脂槽表面，逐层固化构建3D结构。

优势：

• 高分辨率：横向分辨率 10-50 μm（取决于 DMD 微镜尺寸和光学放大倍率）
• 快速打印：整层同时曝光，比激光扫描 SLA 快 10-100 倍
• 复杂几何：可打印悬垂、中空、分支等复杂结构
• 多材料：通过多树脂槽或动态墨水切换实现多材料打印

细胞打印挑战：DLP 通常在树脂槽中打印，细胞直接暴露在光敏树脂中。关键问题——光毒性（波长/剂量/PI选择）和氧气抑制（表面固化不完全）。解决方案：使用可见光 PI（如 LAP、Eosin Y）、优化曝光时间、在含细胞培养基的树脂中打印。

图5：DLP投影式光固化生物打印的工作原理——数字微镜器件（DMD）将图案化光投射到树脂槽，逐层固化构建3D结构。关键组件：光源、DMD芯片、投影镜头、构建平台。

DLP 生物打印的应用：

• 骨/软骨：高精度支架，微孔结构促进细胞浸润
• 肝脏：多材料打印肝小叶结构，HepG2 细胞维持肝功能
• 血管化组织：打印中空血管网络，灌注实验验证通畅性
• 多细胞模式：空间控制不同细胞类型的位置

图6：DLP 生物打印的多组织应用——A 不同细胞类型（HepG2/HUVEC/NIH3T3）在多孔 GelMA 中的存活和铺展对比；B 水凝胶机械性能测试（7kg 重物压缩后恢复原状）；C 打印的复杂解剖结构（气管/心脏/肺/血管网络），血管灌注实验验证通畅性。

主题 E：双光子微制造——纳米级精度

双光子吸收（2PA）利用近红外飞秒激光（~800nm），通过同时吸收两个低能量光子实现局部激发。由于 2PA 概率与光强的平方成正比，只有在焦点极小体积内（~100nm）才发生聚合，实现纳米级分辨率（远低于衍射极限）。

优势：

• 超高分辨率：横向 100-200 nm，纵向 300-500 nm
• 深层穿透：近红外光散射少，可穿透 ~1mm 厚组织
• 3D 任意写入：无需分层，直接在3D空间"书写"

局限：

• 速度极慢：逐点扫描，打印 mm³ 结构需数小时
• 设备昂贵：飞秒激光器 + 精密位移台，成本 > $200K
• 细胞兼容性：高功率激光可能造成光损伤

双光子的核心应用是3D 细胞微环境图案化：在已固化水凝胶内部精确"写入"细胞黏附位点（如 RGD 肽）、生长因子释放位点、或降解触发位点，实现对细胞行为的纳米级空间控制。

图7：单光子vs双光子激发机制对比。单光子吸收（左）：UV光子能量高，沿整个光路均可激发，分辨率受限。双光子吸收（右）：两个近红外光子同时被吸收，仅在焦点处概率足够高，实现亚衍射极限分辨率。

图8：双光子微制造在3D细胞图案化中的应用——在已固化水凝胶内部精确写入细胞黏附位点（RGD）、引导细胞迁移路径、创建3D神经回路模板。

主题 F：未来展望——光固化生物打印的挑战与机遇

图9：光固化生物打印的未来发展方向——可见光/近红外低毒性系统、体积生物打印（Volumetric Bioprinting）、AI辅助路径规划、体内原位光固化打印。

图10：光固化生物打印技术路线图——从当前挑战（光毒性、血管化、多尺度整合、标准化）到未来机遇（可见光系统、体积打印、AI优化、体内原位打印）。

挑战：

1. 光毒性：即使是可见光 PI，长时间照射仍可能造成 DNA 损伤和细胞应激
2. 血管化：打印 >1mm 厚的组织必须集成血管网络，否则中心细胞因缺氧坏死
3. 多尺度整合：如何从纳米级（双光子图案化）到毫米级（DLP）到厘米级（挤出式）实现跨尺度制造
4. 标准化：不同实验室的光源、PI、生物墨水配方差异巨大，结果不可重复

机遇：

1. 可见光/近红外系统：开发更低毒性的 PI 和更长波长的光源
2. 体积生物打印（Volumetric Bioprinting）：从多个角度同时投影，在数秒内固化整个3D结构，无需分层
3. AI 辅助路径规划：机器学习优化打印参数（曝光时间、层厚、扫描速度）
4. 体内原位光固化：手持光固化打印头直接在患者体内缺损处打印+固化

三、对领域/产品的意义

空白 = 产品机会：

1. DLP 生物打印市场快速增长：本文确认 DLP 是高精度生物打印的主流方向。CELLINK 的 DLP 产品线（如 S150 BIO 的 DLP 模块）正好契合这一趋势。
2. 光引发剂标准化需求：目前各实验室使用的 PI 种类繁多（LAP、Irgacure 2959、Eosin Y、VA-0864），缺乏标准化。CELLINK 若推出"认证光引发剂套装"（预混 GelMA+LAP），可解决用户选择困难。
3. 嵌入式打印支撑浴产品化：嵌入式打印是复杂结构（血管、悬垂）的关键技术，但支撑浴（GelMA 微球、Pluronic F127）通常需要用户自行制备。CELLINK 推出商用支撑浴产品是明确的市场机会。

共识 = 宣传素材：

1. "GelMA 是光固化生物打印的标杆"——本文78页综述中 GelMA 出现频率最高，与 CELLINK GelMA 产品线直接对应，可作为技术成熟度的背书。
2. "光固化精度从纳米到厘米全覆盖"——双光子（100nm）→ DLP（10-50μm）→ 挤出式（100-500μm），CELLINK 拥有覆盖全尺度的产品线（BIO X6 挤出式 + DLP 模块）。
3. "LAP 优于 Irgacure 2959"——可见光 LAP 细胞存活率 >95%，UV Irgacure ~70%，CELLINK 的光固化系统已默认使用可见光方案。

争议 = 差异化切入点：

1. "链增长 vs 逐步增长"——链增长速度快但不均匀，逐步增长均匀但速度慢。CELLINK 的 GelMA 可通过添加硫醇实现混合模式（chain+step），兼顾速度和均匀性。
2. "精度 vs 速度"的矛盾——双光子精度高但极慢，DLP 快但分辨率有限。CELLINK 可推广"分层策略"：DLP 打印宏观结构 + 双光子局部精细图案化（如果未来集成）。

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原文下载

📄 Lee_2020_ChemRev_GuidingLights_PhotoactivatedBioprinting.pdf

参考文献

1. Lee M, Rizzo R, Surman F, Zenobi-Wong M. Guiding Lights: Tissue Bioprinting Using Photoactivated Materials. Chemical Reviews. 2020;120(19):10831-10907. DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00077
2. Gao G, Schilling AF, Hubbell K, et al. Improved properties of bone and cartilage tissue from 3D inkjet-bioprinted human mesenchymal stem cells by simultaneous deposition and photocrosslinking in bi-phase gels. Acta Biomater. 2015;29:290-301. DOI: 10.1016/j.actbio.2015.10.032
3. Zhu K, Whitfield J, Landin K, et al. Patterning human neural stem cells via two-photon polymerization of a biomimetic poly(ethylene glycol) hydrogel. J Neural Eng. 2012;9(2):026005. DOI: 10.1088/1741-2560/9/2/026005

转发语：Chemical Reviews 78页超级综述！光固化生物打印从纳米到厘米全覆盖：双光子（100nm精度）→ DLP（10-50μm，快速）→ 挤出式（100-500μm，大体积）。GelMA是绝对主角，LAP光引发剂比Irgacure 2959细胞存活率高30%。CELLINK 的 GelMA + BIO X6 + DLP 模块恰好覆盖了从挤出到光固化的全技术路线。

联系人：李东伟
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