在第一屆Regenovo生物3D打印學(xué)術(shù)論壇上，臺灣大學(xué)組織工程與3D列印中心主任徐善慧教授分享了其團隊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),，有機材料比較常見的是SLAFDM和LFDM,，最簡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機材料和有機材料兩大類,，今天我主要針對有機材料的部分,。

　　低溫加工水性材料的出現(xiàn)

　　有機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,，但是他的問題在于它的一般加工方式是高溫，在打印的時候會有味道,，這個味道與他的揮發(fā)性有關(guān),，因此近年來受歡迎程度不及PLA。如果用高溫加工,，PLA和PCL都會發(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,，因此我們在2001年開始就決定不用高溫來做PLA和PCL的打印,，因為打印完以后，原料的水解程度都不一樣,。因此后來我們改用溶劑的方法,，在低溫下來加工。

　　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,，不僅是對外環(huán)保,，對人體也是安全的，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,，但是會存在自由基,，如果打印的是細胞，不同的細胞吃掉自由基的程度不同,，因此系統(tǒng)換了細胞之后,，就需要調(diào)整，而且細胞的存活率會受到自由基的影響,。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,，在這里引入帶負電的物質(zhì),，可以把它做成帶負電的納米彈性體，然后就可以簡單地利用水性低溫的系統(tǒng)來物化成型,。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,，我們打印出來的東西里面有大堆PU的納米彈性體，每一個納米彈性體大概有200-300的高分子鏈,，每條鏈帶分子量是10萬,，所以整體有1000萬的分子量，所以它相當(dāng)于一個納米的橡膠,，雖然是納米級別的,，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物質(zhì)，這些目標物質(zhì)都是水性的打印材料,，但是可以不溶于水,。打印出來的軟骨，它的壓縮性值、各種機械性值,、動態(tài)機械性值跟天然的軟骨是比較類似的,。

　　接下來的問題就是細胞是否可以留在里面。從我們得到的結(jié)果來看,，細胞在PU里面可以長得比PLGA還要好,，原因是PLGA表面都是疏水基團，而我們的PU是水性系統(tǒng),，細胞更容易種進去,。所以整體來講，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因子,、FTF或者其他藥物跟細胞同時打印進去，然后隨著時間的推移在體內(nèi)釋放出來,。

　　有人說在平面培養(yǎng)細胞的時候Y27632不會軟骨化,，但是在三維空間會。所以我們用含有Y27632的打印物來考察釋放情況隨著時間發(fā)生的變化,。加Y27632取代TGFβ的好處是，因為TGFβ也是硬骨發(fā)育過程中需要的生長因子,，所以一直釋放TGFβ會走向硬骨化,，但是如果用Y27632是不會的。我們看到的結(jié)果是在三天之后干細胞都可以達到一個有效濃度,，這也就意味著可以聚集然后軟骨化,。

　　基因表現(xiàn)也都顯示出把細胞種進我們打印出來的生物支架里之后，會有最好的軟骨化,，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最大的缺點,，就是當(dāng)我們要連細胞和組織一起打印出來的時候,，細胞是不太耐凍的。有團隊嘗試用低溫加DMSO來保持細胞的活性,，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水凝膠的打印材料,。

　　在文獻里面有很多人都講過不同的技術(shù),，但是大部分材料都還不能滿足打印的時候讓它變形，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，而且這個凝膠的狀況是不可逆的，能夠含住細胞,。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)絕對是非常重要的一個參數(shù),，而我們的材料是可以改變流變學(xué)性質(zhì)的,。

　　生物打印的未來發(fā)展還需要解決什么問題？

　　我認為在未來,，多細胞多材料當(dāng)然要配上多噴頭的設(shè)計,，會使打印得到發(fā)展。

　　另外一個非常重要的就是血管網(wǎng)絡(luò)形成,。軟骨沒有血管,，所以好做，但是很多組織都要血管,。這個也是未來的一個方向,，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瓶頸。

　　3D生物打印到目前還有很多的改進空間,，這部分我相信是有機高分子材料能夠貢獻的,，主要的原因在于它有可能實現(xiàn)形變的時候可以形變，而打印完了又可以保持不變,，并且能夠保護細胞使其存活,。

　　小結(jié)

　　1、新型的有機高分子打印材料墨水仍在發(fā)展中,，希望全世界都在這個領(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,，在設(shè)計的時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)上面找到一個平衡點,，讓生物墨水有一天能夠很好地把組織和細胞打印出來。