在第一屆Regenovo生物3D打印學(xué)術(shù)論壇上,，臺(tái)灣大學(xué)組織工程與3D列印中心主任徐善慧教授分享了其團(tuán)隊(duì)在水性高分子材料用于3D生物打印方面的一些研究成果,。
工業(yè)上有很多種3D技術(shù),，但并不是都能夠應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。因此生物醫(yī)學(xué)中除了用一些硬組織材料,，就是一些鐳射技術(shù),，有機(jī)材料比較常見(jiàn)的是SLAFDM和LFDM，最簡(jiǎn)單的是擠壓成型的方法,。一般的3D打印材料可以大致分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料兩大類,，今天我主要針對(duì)有機(jī)材料的部分。
低溫加工水性材料的出現(xiàn)
有機(jī)材料的好處就是加工方式很多,，目前在產(chǎn)業(yè)界用得最多的是聚乳酸（PLA）和丙烯晴-丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）,，他們的差異在于ABS是不能分解的。
高分子3D打印材料最流行是ABS,，他的加工性能很好,，但是他的問(wèn)題在于它的一般加工方式是高溫，在打印的時(shí)候會(huì)有味道,，這個(gè)味道與他的揮發(fā)性有關(guān)，因此近年來(lái)受歡迎程度不及PLA,。如果用高溫加工,，PLA和PCL都會(huì)發(fā)生水解,，因此打印出的東西跟原料是不一樣的，這就限制了在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用,，因此我們?cè)?001年開(kāi)始就決定不用高溫來(lái)做PLA和PCL的打印,，因?yàn)榇蛴⊥暌院螅系乃獬潭榷疾灰粯?。因此后?lái)我們改用溶劑的方法,，在低溫下來(lái)加工。
高分子的好處在于他除了可以用熔融加工之外,，還可以用溶劑加工,，溶劑就可以用低溫，但是溶劑大部分都是有毒的,，PLA,、PCL的溶劑通常有1，4-二惡烷,、二氯甲烷,、三氯甲烷。水性打印材料做到了綠色環(huán)保,，不僅是對(duì)外環(huán)保,，對(duì)人體也是安全的，不用擔(dān)心當(dāng)生物打印支架的孔隙度高的時(shí)候殘余溶劑的安全性,。
常用的水性打印材料中,，天然高分子的有殼聚糖、明膠等,，殼聚糖以液體冷凍沉積方式成型,，但是他性質(zhì)較脆，明膠以光固化方式成型,，用光固化的好處是容易成型,，但是會(huì)存在自由基，如果打印的是細(xì)胞,，不同的細(xì)胞吃掉自由基的程度不同,，因此系統(tǒng)換了細(xì)胞之后，就需要調(diào)整,，而且細(xì)胞的存活率會(huì)受到自由基的影響,。合成高分子有PEG和普朗尼克，它們的優(yōu)點(diǎn)在于靈活的可修飾性,，但是它們不能生物分解,，只能溶解，因此只有在小分子的時(shí)候可以溶解，然后被排出體外,。
改善方案
1,、水性生物可降解有機(jī)彈性體的3D打印技術(shù)
我們把PCL或者PLA這種可分解的聚酯引入到PU這個(gè)高分子的R端，接著經(jīng)由一些小分子合成技術(shù)做自乳化,，在這里引入帶負(fù)電的物質(zhì),，可以把它做成帶負(fù)電的納米彈性體，然后就可以簡(jiǎn)單地利用水性低溫的系統(tǒng)來(lái)物化成型,。這就是我們的打印系統(tǒng),，大概在-20~-30℃的低溫情況下就可以快速地進(jìn)行打印。
那為什么我們可以做這件事呢,？原因就是,，我們打印出來(lái)的東西里面有大堆PU的納米彈性體，每一個(gè)納米彈性體大概有200-300的高分子鏈,，每條鏈帶分子量是10萬(wàn),，所以整體有1000萬(wàn)的分子量，所以它相當(dāng)于一個(gè)納米的橡膠,，雖然是納米級(jí)別的,，但是仍然有彈性體的力學(xué)特性。這樣的物質(zhì)有一個(gè)好處,，就是把它加工之后變成了水不溶性,，可以打印出各種大小的目標(biāo)物質(zhì)，這些目標(biāo)物質(zhì)都是水性的打印材料,，但是可以不溶于水,。打印出來(lái)的軟骨，它的壓縮性值,、各種機(jī)械性值,、動(dòng)態(tài)機(jī)械性值跟天然的軟骨是比較類似的。
接下來(lái)的問(wèn)題就是細(xì)胞是否可以留在里面,。從我們得到的結(jié)果來(lái)看,，細(xì)胞在PU里面可以長(zhǎng)得比PLGA還要好，原因是PLGA表面都是疏水基團(tuán),，而我們的PU是水性系統(tǒng),，細(xì)胞更容易種進(jìn)去。所以整體來(lái)講,，它的生物相容性是很好的,，并且更大的好處是我們可以把生長(zhǎng)因子、FTF或者其他藥物跟細(xì)胞同時(shí)打印進(jìn)去,，然后隨著時(shí)間的推移在體內(nèi)釋放出來(lái),。
有人說(shuō)在平面培養(yǎng)細(xì)胞的時(shí)候Y27632不會(huì)軟骨化，但是在三維空間會(huì)。所以我們用含有Y27632的打印物來(lái)考察釋放情況隨著時(shí)間發(fā)生的變化,。加Y27632取代TGFβ的好處是,，因?yàn)門GFβ也是硬骨發(fā)育過(guò)程中需要的生長(zhǎng)因子，所以一直釋放TGFβ會(huì)走向硬骨化,，但是如果用Y27632是不會(huì)的。我們看到的結(jié)果是在三天之后干細(xì)胞都可以達(dá)到一個(gè)有效濃度,，這也就意味著可以聚集然后軟骨化,。
基因表現(xiàn)也都顯示出把細(xì)胞種進(jìn)我們打印出來(lái)的生物支架里之后，會(huì)有最好的軟骨化,，蛋白質(zhì)表現(xiàn)層面也都呈現(xiàn)同樣情況,。
2、水性生物可降解水凝膠的生物打印材料
我們制成的水性材料有一個(gè)最大的缺點(diǎn),，就是當(dāng)我們要連細(xì)胞和組織一起打印出來(lái)的時(shí)候,，細(xì)胞是不太耐凍的。有團(tuán)隊(duì)嘗試用低溫加DMSO來(lái)保持細(xì)胞的活性,，但是不太成功,。我們希望用溫感或是光固化去折中或者修改我們這些材料，希望可以把它做成一個(gè)水凝膠的打印材料,。
在文獻(xiàn)里面有很多人都講過(guò)不同的技術(shù),，但是大部分材料都還不能滿足打印的時(shí)候讓它變形，打印完了之后又不變形的要求,。
我們之前把同樣的PU材料在改了一些R端的比例之后,，發(fā)現(xiàn)這些納米彈性體變成凝膠了，而且這個(gè)凝膠的狀況是不可逆的,，能夠含住細(xì)胞,。PU的水溶液好處就在于可以直接調(diào)節(jié)其中的固體成分，來(lái)改變整體的化學(xué)結(jié)構(gòu),，從而改變硬度,。所以可以看到，生物打印技術(shù)的發(fā)展中,，流變學(xué)絕對(duì)是非常重要的一個(gè)參數(shù),，而我們的材料是可以改變流變學(xué)性質(zhì)的。
生物打印的未來(lái)發(fā)展還需要解決什么問(wèn)題,？
我認(rèn)為在未來(lái),，多細(xì)胞多材料當(dāng)然要配上多噴頭的設(shè)計(jì)，會(huì)使打印得到發(fā)展,。
另外一個(gè)非常重要的就是血管網(wǎng)絡(luò)形成,。軟骨沒(méi)有血管，所以好做，但是很多組織都要血管,。這個(gè)也是未來(lái)的一個(gè)方向,，你如果要打印器官，尤其是腎臟,、肝臟這種大型組織,，血管網(wǎng)絡(luò)的形成是非常重要的一個(gè)瓶頸。
3D生物打印到目前還有很多的改進(jìn)空間,，這部分我相信是有機(jī)高分子材料能夠貢獻(xiàn)的,，主要的原因在于它有可能實(shí)現(xiàn)形變的時(shí)候可以形變，而打印完了又可以保持不變,，并且能夠保護(hù)細(xì)胞使其存活,。
小結(jié)
1、新型的有機(jī)高分子打印材料墨水仍在發(fā)展中,，希望全世界都在這個(gè)領(lǐng)域能夠嶄露頭角,；
2、打印的設(shè)備,，不管是高溫控制還是光交聯(lián)的平臺(tái),，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要跟新穎的墨水材料能夠彼此配合；
3,、希望能夠在生物墨水流變學(xué)上面找到一個(gè)平衡點(diǎn),，讓生物墨水有一天能夠很好地把組織和細(xì)胞打印出來(lái)。