挤压式生物打印与 DLP 3D 生物打印 – 解释性比较
从僵硬的骨骼到柔软的脂肪，从微小的毛细血管到整个大脑，我们的细胞能够形成无数种组织类型，这是组织工程中最吸引人但也是最具挑战性的方面。为了重现人体的复杂性，组织工程师必须利用各种 3D 生物打印技术，而不是目前的“一体适用”解决方案。
这篇文章解释了 CELLINK 提供的两种桌面三维 (3D) 生物打印解决方案的优缺点——挤压式生物打印机 BIO X™ 和 INKREDIBLE™，以及光固化生物打印机 Lumen X™，并特别比较了每种材料的力学、分辨率、几何形状和材料兼容性。
打印机械结构
两种生物打印技术都以计算机辅助设计 (CAD) 文件开始，该文件被切成离散的水平层，然后经打印机构建并堆叠，最终产生 3D 结构。不同之处在于每种方法如何处理这些层。
挤压式生物打印是一种更为常见的技术，将浆料或液体装入安装在机架或机械臂上的检测盒中，沿着打印床或表面上方的笛卡尔坐标移动检测盒，物体便会被打印在上面。机械力，通常是气压或电机驱动的活塞，推动材料通过喷嘴形成细丝。通过在表面上拖动细丝，机架勾勒出第一层的轮廓。然后，根据用户的指定，机架继续以填充模式逐层沉积细丝，以建立孔隙率和机械强度，直到打印完成。
基于数字光处理的立体光刻（基于 DLP 的 SLA）也是一种逐层处理过程，但不是通过喷嘴挤出材料，而是通过一种像电影放映机一样的照明源，用静止图像处理每一层。将此图像投射到光敏液体的浴槽或液滴中，会激发化学反应，从而导致液体仅在光照时固定或固化。将这些固化层堆叠在构建平台上可以生成打印的对象。
分辨率
在讨论打印技术时，通常比较的是分辨率，或理论上可打印的最小细节，这取决于许多因素，例如材料和几何形状，但这些内容超出了本文的范围。我们的比较侧重于沿 X 轴和 Y 轴的平面分辨率。在挤压式生物打印中，喷嘴的直径决定了可以挤出的细丝的直径。在基于 DLP 的 SLA 中，投影像素的大小定义了可以固化的最小光点。这个光点通常比大多数挤压式生物打印的喷嘴直径要小，而且化学反应更加一致，使得基于 DLP 的 SLA 打印技术能够以比挤压式生物打印更高的分辨率生产更小、更复杂的物体。在长丝离开挤压式生物打印机的喷嘴后，除了重力和摩擦之外，没有任何东西可以控制长丝的放置和扩散方式，从而导致长丝的边界发会生一些变化。即使采用与基于 DLP 的投影仪的最小光点尺寸相同的细丝，在这种可变的扩散条件下，挤压式打印结构看起来也会比 SLA 打印结构更粗糙。
微流体应用
由于挤压式打印基本上是圆柱体的堆叠，就像木屋的原木一样，细丝之间的接触面积非常小。当这些堆叠的圆柱体排列成管状时（就像血管的形状），小的接触面积使得其很难确保管道具有水密性和足够的强度来承受流经它的液体的压力。另一方面，基于 DLP 的 SLA 将打印材料堆叠在一起，基本上从边缘粘合到边缘，从而产生更坚固的防水结构。基于 DLP 的 SLA 具有更坚固的管道和更光滑的侧面，非常适合生物打印芯片实验室微流控设备，尤其是具有复杂网络或需要在显微镜下无失真成像的设备。基于 DLP 的 SLA 在打印复杂的负向特征（如网络）时的优势也有助于打印复杂的正向特征（如晶格）。
控制孔隙率
组织工程支架在所有维度上都需要特定的孔隙率和形状，以匹配天然组织并允许细胞存活，但挤压式生物打印机仅在填充线之间的负空间中产生孔隙率。如图 1 所示，使用挤压式打印机打印立方体时，用户可能会选择一定百分比的六边形填充物，机器将在立方体内打印垂直对齐的六边形。
A)
B)
C)
图 1. 立方体的挤压式 3D 打印。 A) 立方体的 CAD 模型，B) 显示周边（黄色）和填充（红色）路径的切片图像，C) 挤压成型的立方体。
虽然挤压切片器关注对象的外部边界，但基于 DLP 的 SLA 切片器在单个图像中捕获层的整个平面，以 100% 填充进行操作，因此任何所需的孔隙率必须在原始模型中创建。虽然这可能会带来一些前期的复杂性，但许多 CAD 套件可以将晶格图案应用于对象，例如图 2 中的立方体。
A)
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图 2. 基于 DLP 的立方体 3D 打印。 A) 具有陀螺结构的立方体的 CAD 模型，B) 将投影到光敏材料上的切片图像，C) 打印的陀螺立方体（右）。
组织，如骨骼，在三个维度上具有孔隙率和几何形状，因此能够生成和打印重复晶格或随机 3D 结构，进而将产生一个更好地模仿生理组织的支架。基于逐丝挤压的方法具有固有的脆弱性，这使得打印晶格（如图 2 中的结构）几乎不可能。此外，在挤压结构中，孔隙率垂直存在，而水平孔隙出现在层间，因此是有限的或不存在的。鉴于每种技术的不同优势，用户必须考虑最适合其设计的生物打印方法。虽然挤压技术提供了简化的设计和打印过程，使其非常适合于 CAD 软件应用有限或刚刚起步的实验室，但光固化生物打印技术目前是复制人体最小、最复杂结构的最佳选择。然而，形状和大小只是组织工程难题的一部分。
选择材料
当然，如果器官由一种材料和一种细胞类型组成，那么生物打印器官会容易得多，但正确地重建器官意味着捕获不同细胞类型的空间排列。挤压式打印机可以在机架上排列任意数量的检测盒，能够一个细丝接一个细丝的排列材料和细胞，从而精确模拟体内环境。相比之下，基于 DLP 的 SLA 浴槽通常是一种材料和一种细胞类型。已经多次尝试执行多材料 SLA 打印，其中材料或细胞类型的排列并不重要。然而，这些尝试通常涉及缓慢、重复的清洁步骤，并且存在洗涤液之间或材料之间的交叉污染的风险。除了可以使用更广泛的材料进行打印之外，挤压式还允许进行多材料生物打印。
将液体推过检测盒的简单性为组织工程师提供了创造力和灵活性，无论是在挤压之前还是之后，都可以液化然后固化材料。挤压材料的几乎无限的可能性造就了 BIO X 种类繁多的可用打印头，使研究人员能够在一次打印中结合多种材料和细胞类型。顾名思义，光固化生物打印技术，如在 Lumen X 中发现的基于 DLP 的 SLA，使用光敏材料和光源来促进固化。光敏材料还必须具有足够低的粘度，以便在打印过程中，随着构建平台进出液体而流入液滴。
从力学、分辨率、几何形状和材料选择的角度来看，挤压式生物打印机和基于 DLP 的 SLA 生物打印机之间存在许多差异；然而，它们各自的优势使得它们能够在许多研究环境中完美互补。挤压式生物打印机可通过大量生物墨水提供多材料打印以及简化的模型设计，而基于 DLP 的 SLA 能够以高分辨率实现显著的几何复杂性，并且根据所使用的材料，具有完美的清晰度。研究人员也可以在一个实验中结合这两种技术。例如，通过将 BIO X 中的细胞混合物挤出到 Lumen X 上打印的微流控芯片中。无论您选择在工作流程中添加一种还是将两种都加入，都会发现 CELLINK 能够提供可靠、多功能的生物打印解决方案。
