生物3D打印技术的原理有哪些?

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在家里使用3D打印机的人越来越多,有的人认为3D打印机的热潮已经过去了。在我看来正好相反,3D打印机的市场规模逐年增加。

在生物医学领域中的3D打印技术被称为生物3D打印。目前,3D打印技术的研究在生物医学领域中不断地得到发展。据报道,2028年,生物3D打印技术的市场规模将会达到19亿美元。

这次我分享一下生物3D打印技术的基本原理,供大家参考。

生物3D打印技术的原理

生物3D打印技术主要有四种方式。

下面逐一给大家介绍一下。

 

喷墨式生物3D打印(Inkjet Bioprinting)

Exploiting Advanced Hydrogel Technologies to Address Key Challenges in Regenerative Medicine

 

喷墨式打印是最早的生物3D打印技术,家庭使用的2D打印机大多也是喷黑式打印。大家最熟悉的打印方式。

喷黑方式是以液滴为成形单元。

比较形象的比喻是以土豆丁组装的土豆。你可以想象土豆丁是液滴,土豆是成形的三维结构体。

与传统的2D喷黑打印相似,这种打印技术利用压电或热力使喷嘴变形,将生物墨水从喷嘴挤压出去形成一系列的液滴,经过层层打印,可以成形三维结构。

由于喷嘴的驱动压力较小,难以打印黏度高的生物材料。这是打印喷嘴采用的MEMS无法打印黏度较高的材料所致。此外,黏度越高,喷嘴越被容易堵住。

一听生物3D打印采用了喷黑式,你也许会想,由于热对细胞损伤的影响,只能采用压电式而不能采用热式,实际上热式也可以使用。

下面我补充一下其理由。

http://www2.mie.utoronto.ca/labs/MUSSL/gallery1.htm

热式喷黑打印机,发热体只在瞬间通电,使发热体表面温度瞬间上升至300度,将接触发热体表面的生物墨水瞬间变成气泡。此时产生的高压将生物墨水喷射,而一旦墨水离开发热体就没有热量的供给(即绝热状态),热量的产生只是瞬间,对细胞几乎不产生热损伤。

在日本深入研究喷黑式生物3D打印技术的中村真人老师曾经研究过喷黑方式对细胞的影响。根据报告,喷嘴的喷射本身对活细胞不产生影响。

 

优点

成本较低

打印速度较快

细胞存活率较高

缺点

难以打印黏度较高的材料

 

 

挤出式生物3D打印(Extrusion-based Bioprinting)

http://www2.mie.utoronto.ca/labs/MUSSL/gallery1.htm

 

挤出式打印技术是应用最为广泛的生物打印方法。商用3D打印机最早出现的技术也是此类方式的。

最形象的比喻是土豆丝反向组装成土豆的过程。

挤出式生物3D打印可以打印黏度较高的生物材料,是从喷黑打印技术无法打印黏度高材料的缺点演变过来的。

这种技术利用气压或机械驱动将生物墨水从喷头挤出至平台。

3D bioprinting for biomedical devices and tissue engineering: A review of recent trends and advances

与喷墨方式相比,挤出方式可以打印黏度较高的材料,调节压强与温度来控制打印速度和分辨率。但分辨率和速度不如喷黑方式。

挤出方式的缺点是无法应用液体状材料。液体状材料需要和介质材料混合变成凝胶状后才能打印出来。

 

优点

可适用于黏度较高的材料

材料适用范围较广

缺点

打印速度较慢

 

激光辅助生物3D打印(Laser-assisted Bioprinting)

激光辅助生物3D打印技术的优点在于可以避免生物墨水和装置的直接接触

简单地说,这种方法利用激光脉冲产生的压力,将贴在激光吸收层表面的细胞推动至平台上预设的位置。

In situ printing of mesenchymal stromal cells, by laser-assisted bioprinting, for in vivo bone regeneration applications

 

首先,将一层激光吸收材料涂覆在玻璃基底上,将生物墨水均匀地涂布于激光吸收层表面。被照射的激光能量会集中于一点,使激光吸收层产生气泡。通过气泡的膨胀、破裂驱动生物墨水脱离玻璃基底,推动至平台上,从而实现无接触的3D打印。

在此,激光吸收材料用来产生微气泡以避免细胞直接接触高能量的激光。

与喷墨方式和挤出方式相比,激光辅助技术不会与细胞直接接触,也不会对细胞造成机械负荷。并且,与喷墨方式相比,可以打印黏度较高的生物材料,而且材料适用范围更广泛。

这种技术的细胞存活率虽然较高,但总小于85%,是被认为由于激光所产生的热所致。

四种方式中,激光辅助技术的成本最高,这就是这种技术的最大缺点。

 

优点

不会对细胞造成机械负荷

细胞存活率较高

可适用于黏度较高的材料

缺点

成本比较高

 

光固化式生物3D打印(Stereolithography-based Bioprinting)

An Introduction to 3D Bioprinting: Possibilities, Challenges and Future Aspects

光固化式生物3D打印技术采用光源来固化生物墨水,这种技术与上述三种不同之处是先打印二维平面,逐层堆积形成三维结构

此过程很像土豆片反向组装成土豆的过程。

紫外线选择性地照射到生物墨水表面,被照射的区域开始固化,通过平台的上下运动实现3D打印。

光固化技术对整个平面进行同时固化,单层细胞结构复杂程度如何,不管多大的面积,打印所需的时间是一样的,并且打印机只需要向垂直方向运动平台,容易控制打印机。

细胞存活率很高,成本很低。

看起来光固化技术的优点很多,但也有缺点,即对生物墨水的要求很高。

此外,据报道,光固化技术使用的紫外线对DNA造成损伤,会引起皮肤癌。为了解决此问题,利用可见光的光固化技术备受关注。实际上有的研究表明,利用可见光以50μm的分辨率成功打印出NIH 3T3细胞。

优点

成本较低

成形速度较快

细胞存活率较高

分辨率较高

无黏度限制

缺点

紫外线造成细胞毒性

对生物墨水的要求很高

 

总结

除了上述介绍的打印技术以外,生物3D打印技术还有其他方式。这次重点介绍了主要的打印方式。

最近,美国的研究人员发表了利用3D打印技术成功制造了人造肺泡,在该人造肺泡模型中,人造器官可以将氧气输送到周围的人造血管,该研究打破了一直以来被认为在人造组织中无法制造脉管系统的最大障碍。该研究中采用的是光固化技术。

而今年以色列的研究人员成功制造的带有血管系统的人造心脏是利用挤出式打印技术来实现的。

我会继续关注这个领域将会有哪些技术突破,到时候再来跟大家分享。

 

*特色图片的来源:https://www.biogelx.com/challenges-of-3d-bioprinting/

【参考】

生物3D打印——从形似到神似

3Dバイオプリンティング市場 (2018年~2028年):技術・市場・予測

3D bioprinting for biomedical devices and tissue engineering: A review of recent trends and advances

Exploiting Advanced Hydrogel Technologies to Address Key Challenges in Regenerative Medicine

3D bioprinting for engineering complex tissues

Emulating Human Tissues via 3D Bioprinting

An Introduction to 3D Bioprinting: Possibilities, Challenges and Future Aspects

『インタービジョン第31巻7号 3Dプリンタの医療応用最前線PartⅡ』

中村「バイオプリンティング」プロジェクト

 

 

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