湖大团队提出新型光散射抑制机制，助力高保真光固化生物3D打印

时间：2023-06-14 11:09 来源：中国机械工程学会作者：admin 阅读：次

光固化 3D 打印技术是一种利用光照射来固化材料的 3D 打印方法。它使用特殊的光敏材料作为打印原料，通过光的照射将液态材料固化成固体，可以实现高精度和复杂几何结构的打印。光固化 3D 打印技术也能用于打印生物墨水（含有细胞的打印原材料），它可以用来建造复杂的活性几何结构，在组织工程、药物缓释、植入物等生物医学研究领域有着广泛的应用。然而，湖南大学教授韩晓筱课题组发现，在光照过程中由于折射率的不同，光在液体和固体的交界处、以及细胞和水凝胶界面处，会发生严重的物理散射现象。这导致不需要打印的区域的生物墨水也会被固化，这会降低打印的精度。因此很难使用这种方法打印一些仿生结构。

图 | 韩晓筱（来源：韩晓筱）

在近期一项研究中，该团队提出一种用于抑制上述散射问题的方法，并制备出相应的添加物——姜黄钠（Cur-Na）。此方法从两个方面对散射进行了抑制：一方面是物理方法，即吸收多余的散射光，降低光穿透深度，使非打印区域散射光减少。另一方面是化学方法，由于姜黄钠可以跟生物墨水中由光照产生的自由基进行化学反应，并且反应速率比水凝胶的交联反应更高。这样就能降低水凝胶在非目标区域的聚合反应速率。另外姜黄钠的反应产物为液体，在打印完成之后能被直接冲洗掉，这样就从两个方面抑制了非目标区域的固化，提高了打印精度。
通过以上方法，他们成功打印了多种复杂的具有细胞功能的结构，比如血管支架、脊髓支架、极小三周期曲面等；并证明通过这种方法制造出来的复杂结构具有很好的生物相容性，展示了其在器官打印、组织工程中的应用潜力。之前，学界并未太多关注载细胞支架的结构设计，原因有如下几点：
其一，结构优化是工程领域比较常用的方法，但是在生物领域运用得比较少。而该课题组发现不同的结构，对于生物性能的影响其实非常大。
其二，优化之后的结构较为复杂，很难被制造出来。而本次成果解决了制造工艺的问题，因此可以将优化后的结构制备出来，这能给今后植入支架的应用打下基础。
目前，课题组已经联手相关医院进行后续的应用研究，主要来说就是进行仿生支架的全周期定制，从细胞生长的模拟、支架结构的设计和优化、到生物墨水的配置、复杂结构的制造、再到动物实验验证支架的生物学功能。
据介绍，该团队已经进行到动物实验。初步结果表明，优化后的载细胞支架在血管生成、细胞生长和药物释放上，相比传统支架有着较大优势，未来有望用于载细胞植入支架和类器官等。

（来源：Nature Communications）

韩晓筱说：“我们横向比较了其他科研团队的文献，发现我们的方法对于打印光固化生物打印的精度有着较大的提高，对这一领域也有比较重要的潜在贡献，于是我们决定将论文投稿到 Nature Communications。”在研究过程中，韩晓筱也看到了文章一作博士生贺宁在研究中的成长。作为一名机械专业的学生，贺宁面临着突破自身领域限制的挑战。他意识到，光固化过程中的物理缺陷问题，只有跨越化学和材料科学领域才能得到解决。“尽管这对他来说是一个巨大的挑战，但是他并没有退缩，而是决心克服困难，并与生物学专家和细胞实验团队完成了本次研究。”韩晓筱说。
最终，相关论文以《Photoinhibition via simultaneously photoabsorption and free-radical reaction for high-fidelity light-based bioprinting》为题发在 Nature Communications[1]上。湖南大学博士研究生贺宁为第一作者，湖南大学机械与运载工程学院韩晓筱教授和陈锋副教授为通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

      接下来，他们将进一步优化打印性能，也会继续发掘更多材料，并将它们用于光固化的散射抑制的应用中。另外，课题组也将寻求不同领域的合作，致力于拓展仿生复杂载细胞生物支架的应用领域。同时，也将探索新的研究方向。散射问题不止存在于光固化生物打印中，在光固化陶瓷、玻璃等打印领域也是一个很重要的共性问题，因此他们将联合其他团队开展一些探索。
     “要想推动本次成果的应用转化，我们还在积极寻求与相关产业或机构开展合作，从而加速这一系列研究的进展，将成果转化为实际应用或产品。”另据悉，此前韩晓筱在英国读完了硕士和博士后，并曾在英国高校担任讲师职位。她说：“我总共在英国待了 13 年。在英国期间，我组建了一个研究团队，并担任了独立 PI 的角色。”
      担任独立 PI 三年之后，她与湖南大学建立联系并回到中国。其表示：“我之所以做出这个决定，是因为我的研究方向非常交叉，涉及生物学、机械工程、医学和材料化学等多个领域。在国外，我发现实现一些科研想法相对困难。而湖南大学为我提供了一个更高的平台。”
      比如，这篇论文中的所有作者都来自湖南，包括来自湖南大学生物学院和材料学院、以及来自湖南农大的老师等。“我认为这个科研环境为我们的交叉研究提供了很好的支持，选择回到湖南大学对于我的科研方向是一个正确而明智的决定。”韩晓筱说。

(责任编辑：admin)

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