大多數(shù)使用標準逐層方法工作的傳統(tǒng)3D打印技術缺乏兩個重要特征：首先，它們需要所有打印元素之間的物理連接或使用支撐結構來穩(wěn)定精密部件和懸垂物，這些部件和懸垂物必須在之后移除。因此，糾纏或串聯(lián)元素是不可能的，尤其是在使用水凝膠等軟材料時。傳統(tǒng)3D打印設置的第二個限制是它們不是真正的3D打印，因為CAD模型經(jīng)歷了陰影-切片過程，是2D層的軸向堆疊（圖 1A）。這限制了可能的運動路徑。此外，必須掃描3D模型的大部分邊界框以構建結構，盡管在該體積的很大一部分內沒有打印任何內容。由于生產時間隨著打印分辨率的三次方增加而增加，因此無法經(jīng)濟高效地實現(xiàn)以亞微米分辨率生產的大尺寸樣品。

德國維爾茨堡大學提出了一種新穎的方法，它克服了這兩個限制，并且能夠創(chuàng)建僅在拓撲上互連的真正 3D 結構部件。即使是由軟水凝膠制成的小至1 μm的精細特征也可以實現(xiàn)并用作 3D 細胞支架。與耗時的逐層程序相比，自由形式3D打印允許通過沿任何XYZ軌跡移動來構建任意形狀，而無需創(chuàng)建任何支撐結構（圖 1B）。為了將通用且快速的自由形式3D打印程序擴展到低粘性前體的軟水凝膠，作者開發(fā)了一種雙組分水凝膠組合物（圖 1E），當與光引發(fā)劑混合時，會產生可光固化的樹脂。聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEG-DA，m w = 700 g mol-1）和玫瑰紅（RB）分別被選為光敏組分和光引發(fā)劑。RB由于其多功能特性（如抗菌活性）及其在光化學組織粘合和癌癥治療中的用途而引起了生物醫(yī)學應用領域的興趣。第二個水凝膠成分是高度細胞相容性的聚（2-惡唑啉）/聚（2-惡嗪）嵌段共聚物 (PMeOx-b-PnPrOzi，簡稱：POx-b-POzi)，溫度升高，其經(jīng)歷可逆的溶膠-凝膠轉變。溫度低時，它是液體，很容易與其他成分混合。作為室溫下的凝膠，它允許創(chuàng)建獨立元件而無需支撐結構。重要的是要注意，POx-b- POzi凝膠僅進行物理交聯(lián)，并且在自由形式3D打印過程（圖 1F）后容易與未固化的PEG-DA（溶膠部分）一起被沖走，從而形成所需的3D結構（圖. 1G）。

圖 1. (A) 使用耗時的逐層程序對 3D 結構進行剖面圖和切片組裝。(B) 三維自由曲面構造過程中激光焦點的軌跡，適用于抑制印刷元素擴散的高粘度聚合物 (C)，但在低粘度材料 (D) 中構造時會導致不連續(xù)的部分環(huán)由箭頭突出顯示。（E-G）雙組分水凝膠的組分和聚合過程，通過freeform 2PP，然后是溶解水凝膠的所有非發(fā)光部分，包括固有支持基質的顯影步驟。(H) 直徑為 15 μm 的互連環(huán)的共聚焦熒光顯微鏡圖像。(I) 具有三層的相同環(huán)形結構的頂視圖和 (J) 側視圖。

圖2 (A) 不同水凝膠組合物的振幅掃描：POx-b-POzi(B1)、PEG-DA/ POx-b-POzi混合物 (B2) 和PEG-DA (B3)。(C) 主要成分PEG-DA和POx-b-POzi以及制備的水凝膠混合物 (PEG-DA/ POx-b-POzi) 和 2PP 結構化和開發(fā)后 (2PP)的拉曼光譜的比較。(D) 具有 33 mW 恒定激光功率和從 0.25 mm s-1增加到 2.25 mm s-1的 2PP 結構圓柱體的拉曼光譜。(E) 聚合物和水的擬合拉曼帶的面積比取決于結構化激光功率 (紅色) 和速度 (藍色)。 (F) 2PP 結構圓柱的楊氏模量取決于結構速度。

圖 3 不同 2PP 結構 3D 設計的共聚焦熒光顯微鏡圖像。(A) 確定 2PP 處理窗口以實現(xiàn) 3D 松散互連環(huán)（串聯(lián)環(huán)配置）。(A1) 激光劑量太高，(A2) 根據(jù)需要，(A3) 中等結構質量，(A4) 激光劑量太低。(B) 研究的速度和激光功率組合矩陣及其分類到所描述的類別中。一層焊接 (C) 和串聯(lián) (D) 環(huán)自由懸掛在支撐結構內。(E) 由四個串聯(lián)環(huán)層組成的 1 × 1 mm 場的一部分。(F) 一層各向異性互連環(huán)（焊接和串聯(lián)環(huán)配置，取決于空間方向）。

圖 4 (A)L929細胞增殖，在播種后24小時至6天期間在上方培養(yǎng)，在翻轉底物前參考細胞計數(shù)。L929細胞在焊接(B)和連接環(huán)設計(C)中的3D水凝膠支架內遷移的熒光共聚焦顯微鏡圖像的頂視圖。插圖顯示了與水凝膠環(huán)相互作用的細胞的3D特寫。(D)IPSC衍生的心肌細胞聚集體，在播種7天后在由串聯(lián)環(huán)制成的四層支架頂部培養(yǎng)。(E)在播種后第4天，在由焊接環(huán)制成的四層環(huán)形支架上分離的心肌細胞聚集體中的兩個細胞。

相關論文以題為Freeform direct laser writing of versatile topological 3D scaffolds enabled by intrinsic support hydrogel發(fā)表在《Mater. Horiz.》上。通訊作者是德國維爾茨堡大學Doris Heinrich、Robert Luxenhofer。

參考文獻：

doi.org/10.1039/D1MH00925G