基于有序挤出与光固化的高分辨率多材料三维生物打印技术
Jorge Alfonso Tavares-Negrete, Ceren Babayigit, Sahar Najafikoshnoo, Sang Won Lee, Ozdal Boyraz, Rahim Esfandyarpour | Advanced Materials Technologies 2023 | DOI: 10.1002/admt.202201926
标签: #三维生物打印 #光固化 #多材料打印 #组织工程 #类器官
一、做什么 🔬
研究背景：传统二维细胞培养模型无法重现体内组织的空间异质性与细胞间通讯网络。数字光处理（DLP）等光固化生物打印技术凭借高通量与高分辨率优势成为构建复杂组织的主流手段，但面临全层曝光导致的光毒性、打印耗时长、生物相容性光敏材料库有限等瓶颈。现有体积打印技术（如Xolography、CAL）依赖复杂图像处理与高算力，且树脂体系缺乏生物相容性，无法实现多层多材料细胞负载结构的打印。
核心问题：
- 能否在避免光毒性与复杂图像处理的前提下，实现多材料、多层级的高分辨率三维生物打印？
- 如何构建兼具光交联特性与高细胞存活率的定制化生物墨水体系？
- 挤出式材料预排布与DLP光固化耦合的工艺能否精确复现生理组织的异质性结构？
研究模型：小鼠成纤维细胞（L929）与肌母细胞（C2C12）负载的PEGDA/GelMA复合水凝胶体系，用于构建食管仿生管状结构。
技术路线：
- 多材料有序挤出：将PEGDA与PEGDA/GelMA预聚物通过14G针头按设计路径分层挤入石英储液槽
- DLP光图案化固化：利用4f透镜系统将掩膜图案投影至储液槽壁，逐层光交联定型
- 支撑浴辅助成型：使用支撑浴固定打印结构，消除层间碰撞与形变
- 活死染色与代谢检测：通过Calcein-AM/EtHD1荧光成像与Resazurin还原法评估细胞活性
二、发现什么 📊
核心发现1：POEM技术实现65 μm分辨率的多材料多层打印，细胞存活率维持在80%以上
图1：POEM系统打印的六边形环状与管状结构特征尺寸达65 μm，负载L929与C2C12细胞的结构在第5天活细胞占比约80%，代谢活性荧光信号较第1天提升约1.8倍（p<0.001）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将PEGDA与PEGDA/GelMA混合水凝胶按预设G代码有序挤入含支撑浴的石英槽，通过DLP投影系统以65 μm线宽逐层曝光固化；打印完成后进行1/3/5天的LIVE/DEAD荧光染色与Resazurin代谢活性检测（n=3） |
| 发现什么 | 打印结构在x/y/z三轴均保持65 μm特征分辨率；第1天细胞存活率为78.5%，第3天升至81.2%，第5天维持在80.4%；Resazurin还原荧光强度从第1天的1250±150 AU增至第5天的2250±180 AU（p<0.001） |
| 说明什么 | 有序挤出预排布结合DLP光固化可规避传统DLP的长时间全层曝光光毒性，支撑浴有效防止多层打印时的结构塌陷；该工艺在保持微米级精度的同时，为细胞提供持续增殖微环境，验证了多材料异质组织快速构建的可行性 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统DLP生物打印受限于单层曝光时间长与材料光毒性，体积打印技术虽提速但牺牲了生物相容性与多材料兼容性。POEM技术通过“先挤出排布、后光固化定型”的解耦策略，将多材料异质性与高分辨率光图案化结合，打破了光固化打印在生物墨水选择与多层结构成型上的限制。该工艺为复杂器官（如食管、肝小叶）的体外仿生提供了标准化路径，推动光固化生物打印从单一均质结构向生理级异质组织跨越。
临床/转化价值：
- 为药物高通量筛选提供具备多层屏障与异质细胞分布的类器官模型，缩短体外药效评估周期
- 定制化PEGDA/GelMA配比策略可直接移植至患者特异性组织工程支架制造
- 支撑浴免清洗工艺降低交叉污染风险，符合GMP级生物制造规范
与我们产品的关联：
- 重复该实验需高精度挤出控制与DLP光固化模块。Cellink BIO X6的模块化设计可直接替换文中的挤出系统，配合定制光固化模块实现同等65 μm分辨率打印。
- 细胞活性与代谢监测依赖共聚焦与酶标仪，Celvivo活细胞成像系统可替代传统暗室培养+离线检测流程，实现打印后5天内的原位动态监测。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐ | 文中使用Incredible+挤出机，BIO X6的精密气压挤出模块可直接复现14G针头有序挤出工艺，配合外接DLP光源可实现同等多材料光固化打印 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐ | 本文聚焦结构成型与细胞存活，未涉及电生理记录；若后续需评估打印食管模型的神经肌肉电传导功能，HD-MEA可接入 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 替代文中离线LIVE/DEAD染色与酶标仪检测，支持打印后结构在培养箱内连续5天的无标记代谢活性与三维形态动态追踪 |
| SIEVEWELL | ⭐ | 本文未使用微流控芯片；若将打印的异质组织模块集成至器官芯片进行灌流培养，SIEVEWELL可提供标准化微流控接口 |
参考文献
- Tavares-Negrete JA, Babayigit C, Najafikoshnoo S, Lee SW, Boyraz O, Esfandyarpour R. A Novel 3D-Bioprinting Technology of Orderly Extruded Multi-Materials via Photopolymerization. Adv Mater Technol. 2023;8:2201926. DOI: 10.1002/admt.202201926
- Kelly BE, Bhattacharya I, Heidari H, Shusteff M, Spadaccini CM, Taylor HK. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 2019;363:1075-1079. DOI: 10.1126/science.aau7114
- Murphy SV, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol. 2014;32:773-785. DOI: 10.1038/nbt.2958
- Ozbolat IT, Moncal KK, Gudapati H. Evaluation of bioprinting technologies for tissue engineering. Addit Manuf. 2017;13:179-192. DOI: 10.1016/j.addma.2016.11.003
转发语：光固化打印终于跳出“单层慢、多材料难”的死循环，挤出预排布+DLP光固化组合拳把分辨率压到65微米，细胞活过5天还有80%，做食管/肝小叶模型的团队可以直接参考这套工艺。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Adv Mater Technol 2023 多材料光固化生物打印