- 2021 年 06 月 18 日
使用 FRESH 3D 生物打印实现更复杂的几何形状
FRESH，或悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入，最初是作为一种 3D 生物打印方法开发的，以解决在组织工程应用中使用软生物材料时面临的许多限制。FRESH 3D 生物打印是通过将生物墨水挤压到 LifeSupport™ 浴槽中进行的，该浴槽专门用于防止水凝胶结构在打印过程中塌陷和变形。通过结合离子、酶、pH 缓冲剂等，LifeSupport™ 可以支持多种聚合物交联化学和凝胶机制。
FRESH 已迅速成为许多组织工程师首选的生物打印平台。FRESH 能够以更高的分辨率使用任何软凝胶生物材料进行生物打印，而不受几何复杂性的限制。FRESH 可以集成到标准生物打印工作流程中，并在 BIO X™ 等挤压式生物打印机上实现。FRESH 彻底改变了生物打印，使研究人员能够应对复杂组织结构和功能的紧迫挑战。例如，FRESH 消除了特定墨水打印优化这种繁琐的任务，让研究人员可以更专注于生物打印真正的 3D 支架和组织。
在 BIO X™ 上进行 FRESH 3D 生物打印非常简单，只需将准备好的 LifeSupport™ 盘放在打印平台上，然后将打印针放入盘的中心即可开始制造复杂的几何形状。
探索一些最有潜力的潜在研究方向：
1. 类组织的复杂打印
FRESH 打印的主要吸引力在于它能够用软生物材料创建复杂结构。这种能力很容易为 FRESH 打印结构的潜在发展空间提供帮助，其打印出的结构和成分的复杂性更接近于天然组织。人体内的每一个器官和组织都具有独特的结构和组成复杂性，工程师们试图通过仿生方法来重现这些复杂性。例如心脏或肌腱组织具有组织各向异性（具有方向性），这对组织的力学性能和功能至关重要，这类示例突出了制造更多生理相关组织结构的重要性。最重要的是，FRESH 打印不仅限于组织结构。借助 FRESH，研究人员有机会设计生物模板之外的结构物。通过识别组织功能的关键功能参数，研究人员现在可以利用现有工具（例如计算生成的设计）来优化打印结构，以获得有助于所需组织功能的关键特征，例如孔隙率、机械性能和结构-细胞相互作用。
2. 形成血管化组织
对于组织工程应用，FRESH 是少数允许自由设计和制造多尺度血管系统网络的技术之一。几十年来，组织血管化已经抓住了科学家和研究人员的想象力，文献中有大量关于植入结构的新血管化、生长因子诱导血管化和具有可灌注单通道的微流控设备的研究，所有这些都是由一个目标驱动，那就是有一天能够实现完全血管化，并使一块厚的组织（各维度均大于 1 厘米）存活。虽然 Pluronic F127 或明胶等打印材料已被有效地用作牺牲材料，以在块状铸造基体内形成内腔结构，但内腔直径通常仅限于从打印喷嘴中挤出的单个挤出物的宽度。相反，FRESH 可以自下而上实现高分辨率特征的生物打印，例如薄血管壁和直径可变的弯曲血管结构。利用 FRESH 技术，现在可以制造复杂而详细的血管网络，可以控制从微米到毫米长度尺度的管腔和壁厚尺寸，并利用医学成像文件衍生的 3D 分支、分层血管系统
3. 多材料生物打印
在单个硬件平台上打印多种材料时，研究人员面临着许多挑战。首先，平台硬件必须设计为能够处理多个工具头，并且从这些工具头中挤出的不同材料必须能够与软件很好地协调。BIO X™ 和 BIO X6™ 通过多个工具头系统和易于使用的软件界面实现了这一设计。其次，也许也是更重要的，当生物打印多材料结构时，硬件必须能够在单个容器中点样和凝胶化多种材料。考虑到生物材料中存在着广泛的凝胶化要求，这绝非易事。与传统的 3D 生物打印不同，FRESH 允许同时打印使用离子、化学、光化学、酶促和物理凝胶交联的多种生物材料，所有这些都在一个平皿中完成。打印到 LifeSupport™ 中时，多材料生物制造更容易，因为与明胶兼容的酶、离子和化学品可以很容易地混合在一起，以驱动打印材料的墨水特异性凝胶化。例如，藻酸盐，一种常见的生物打印材料，可以与钙离子混合打印到支撑浴槽中，当打印到用 pH 中性缓冲液缓冲的支撑浴槽中时，胶原蛋白可以物理交联。通过使用含有 pH 中性缓冲液和钙离子的支撑浴槽，这两种不同的生物墨水可以在多材料打印中一起打印。
通过将 BIO X™ 生物打印机与 FRESH 相结合，研究人员可以迈入以往梦寐以求的打印复杂性和功能新领域。
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