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8 Jan 2019, 2:29

生物3D打印之工艺

生物3D 打印工艺根据成形原理和打印材料的不同,可分为喷墨式、激光直写式、挤出式、光固化式打印等。今天就给大家简要的介绍这几种打印工艺。

喷墨式生物3D 打印(inkjet-based 3D bioprinting

喷墨打印是最早的生物3D 打印技术。原理与传统的2D喷墨打印类似,利用压电或热力驱动喷头,将生物墨水(水凝胶和细胞的混合物)分成一系列的微滴,经过层层打印,就可以形成含有细胞的三维结构。这个过程中最重要的是如何保证微滴相互黏结融合在一起。由于商用打印机可以改造为喷墨生物3D打印机,所以喷墨打印是成本相对较低的生物打印技术。

另外喷墨打印机上可装多个喷头,可同时打印不同细胞,打印速度快。由于喷头的驱动压力较小,所以无法打印高黏度的材料和高浓度的细胞。低黏度的材料使打印成形后的结构强度变小,无法满足后续体外培养和移植的需求,因此黏度因素使得适用的生物材料范围变窄。另外,在喷墨打印过程中,可能会对细胞产生机械损伤或者热损伤,这些缺点也限制了喷墨打印技术的广泛应用。

激光直写式生物3D 打印(laser direct writing3D bioprinting) 

这种方法也是以液滴作为基本成形单元,激光吸收材料用来产生微气泡,这样可以避免细胞直接接触高能量的激光。首先,将一层激光吸收材料涂覆在玻璃基底上,将生物墨水均匀地铺展在激光吸收层表面;其次,打印时激光穿透玻璃基底使吸收层材料产生气泡,通过气泡的膨胀驱动生物材料和细胞脱离基底,沉积到成形平台上。最后,通过三维运动平台驱动玻璃基底或者成形平台的运动,三维结构可以制造成形。从某种意义上说,激光直写技术也是一种无喷头的喷墨打印方式。

与喷墨打印技术相比,该技术可以避免生物墨水和处理装置的直接接触,这种非接触式的制造方式不会对细胞造成机械剪切损伤,这种方式可以打印较高黏度的生物材料,而且适用的材料范围也比喷墨打印广泛。

然而,该技术目前还主要处于研究阶段,应用较少,原因主要包括: 1)基于激光直写原理的打印机成本比较高,工艺也不够成熟,缺乏商业化的打印装置;2)每打印一层时,在激光吸收材料上涂覆生物墨水比较耗时;3)产生的微滴的重复性还需要进一步研究。

挤出式生物3D 打印(extrusion-based 3D bioprinting) 

挤出式打印技术是应用最为广泛的生物打印方法,可以打印黏度较高的生物材料。该方法利用气压或者机械驱动的喷头将生物墨水可控的挤出,微纤维从喷头处被挤出,沉积到成形平台上形成二维结构,随着喷头或者成形平台z方向上的运动,二维结构层层堆积形成三维结构。

在挤出式打印过程中,通过连续挤出力可以挤出不间断的纤维,而不只是单个的微滴。这种成形方式可以打印不同黏度的生物材料和不同浓度的细胞,材料适用范围比较广,可以制造出结构强度较好的组织结构。

光固化式生物3D 打印(photocuring-based 3Dbioprinting

 光固化打印和激光直写式打印类似,也是利用光来选择性交联生物墨水,层层固化形成三维结构。紫外光通过数字微镜装置选择性地投射到生物墨水表面,被照射区域的材料开始固化, 通过成形平台的上下运动,逐层固化得到三维结构。

光固化打印装置利用数字光投射器对生物墨水的整个面进行固化,效率较高,不论单层结构的复杂程度如何,打印时间都是相同的,且打印精度较高。打印机只需要一个垂直方向运动的平台,相比于其他方法,装置比较简单,利于控制;缺点是紫外光及其引发剂会对细胞造成损伤。

每一种打印工艺都有其优缺点,合理选择、利用并开发新的打印工艺是目前生物3D打印面临的问题,相信在不久的将来,这些问题都能得到解决!

YuWang 还没写个人简介...

8 Jan 2019, 2:29