光固化生物3D打印教程之高精度水凝膠支架制造
投影式光固化生物打印(Projection-based 3D bioprinting, PBP)具有精度高、速度快、自支撐等優勢，近年來在生物制造領域有越來越多PBP的成功應用案例。然而，完全理解PBP的原理需要光學、高分子、工程、生物學等綜合學科的背景知識，初學者熟練掌握PBP的流程也需要經歷長時間的試錯與經驗積累。降低PBP的入門使用門檻，可使更多研究者能從這項技術中受益。
近期，EFL團隊基于其多年相關經驗，在Bio-Design and Manufacturing雜志上發表題為“Projection-based 3D bioprinting for hydrogel scaffold manufacturing”Technical note，給出了一個標準的水凝膠支架打印流程，我們將PBP生物支架打印分為了“材料配制”、“支架打印”、“后處理”與“細胞接種”四個工序，給出了標準化的操作方法，整理了很多常見的問題、技巧及背后機制。通過這篇教程，希望能夠幫助PBP初學者，降低非工程學科背景使用者在工藝測試上的時間和成本，將PBP作為得力工具加速其研究。論文一作為孫元博士生，通訊作者為賀永教授。
【PBP工作流程】
1. 材料配制：
介紹用于投影式光固化打印的GelMA光敏水凝膠的組成成分、配比、配制方法、儲存方法、各成分打印功能機理。與常規三維細胞培養不同的是在材料中添加了可以降低打印誤差的吸光劑。除標準化流程外，特別強調了兩個實用的小技巧：先使用冷溶劑潤濕各成分后再加熱溶解，以及通過離心方法除去溶解后產生的大量微氣泡能夠顯著提升打印質量。
2. 支架打印：
因為相關打印設備的商業化，打印過程的設置已變得非常簡便，而打印參數設置通常軟件里也配有推薦值，初學者可根據軟件提示一鍵打印。然而作者重點提示了兩個打印過程中常見的問題：模型擺放方向與打印件脫落，闡釋了打印時間、x-y平面與z方向制造精度差異與模型擺放方向間的關系，介紹了采用打印原液對平臺涂底的防脫落實用技巧。
3. 后處理：
后處理是很多熟悉PBP的研究者都容易忽略的過程，科學的后處理不僅可以大大延長支架的儲存時間，而且能提升成品精細結構精度與細胞粘附能力。后處理包括：清除剩余的未交聯材料、消毒、生物因子處理、凍干等標準步驟。
4. 細胞接種：
與傳統培養皿或孔板中平面接種細胞不同，PBP打印的水凝膠支架通常具有復雜的三維形貌，為復雜的曲面接種細胞通常需要多角度多次接種。文中以空心管狀結構為例，介紹了如何將內腔鋪滿細胞的標準化操作方法與其背后的原理。
【實驗案例】
圖2 管狀支架應用案例
管狀結構廣泛存在于生物體內，如血管、髓鞘、膽管等。作者按PBP標準流程進行操作，并給出了各環節的具體參數。通過PBP打印支架再接種的方法能夠制造出含有單層均勻布滿內腔的內皮細胞層血管模型。
【討論：載細胞打印 vs 支架接種細胞】
如今載細胞打印技術也已非常成熟，為什么我們還需要先制造支架再進行接種的分步方案？作者給出了以下兩點重要理由：
1. 空間分離避免成形性與生物性的矛盾：
生物材料需要兼具生物性能與成形性能，但這兩者通常是矛盾的，優異的生物性能需要多孔疏松的材料來降低對細胞的約束，提升物質的交換，這勢必會降低交聯過程中交聯基團間發生反應的概率，降低成形性。這是細胞處于水凝膠內部三維包裹時的情況，即載細胞打印時無法避免的問題。然而，支架打印剝離了制造與細胞培養的過程，制造過程中無細胞，接種過程中細胞實際以二維鋪展狀態粘附在三維支架表面。兩個過程不再彼此制約，從而可以制造出更加復雜的支架結構用于搭載細胞。
2. 時間分離降低復雜度便于交叉合作：
載細胞打印時，必須同時滿足材料、制造、細胞等前提條件，受到細胞活性的限制，整個過程必須在短時間內完成。從研究者的實驗角度考慮，這需要完整的材料、工程、生物因素同時在場，無疑在無形中大大提升了門檻。而支架打印完全可以提前做好支架并凍干保存，然后待細胞狀態合適時再進行接種。這降低了完整流程的復雜度、提升了成功率、也方便不同學科間的交叉合作。
文章來源：
https://doi.org/10.1007/s42242-022-00189-0
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近期，EFL團隊基于其多年相關經驗，在Bio-Design and Manufacturing雜志上發表題為“Projection-based 3D bioprinting for hydrogel scaffold manufacturing”Technical note，給出了一個標準的水凝膠支架打印流程，我們將PBP生物支架打印分為了“材料配制”、“支架打印”、“后處理”與“細胞接種”四個工序，給出了標準化的操作方法，整理了很多常見的問題、技巧及背后機制。通過這篇教程，希望能夠幫助PBP初學者，降低非工程學科背景使用者在工藝測試上的時間和成本，將PBP作為得力工具加速其研究。論文一作為孫元博士生，通訊作者為賀永教授。
【PBP工作流程】
圖1 PBP操作流程圖（以EFL-8601打印機為例說明）
1. 材料配制：
介紹用于投影式光固化打印的GelMA光敏水凝膠的組成成分、配比、配制方法、儲存方法、各成分打印功能機理。與常規三維細胞培養不同的是在材料中添加了可以降低打印誤差的吸光劑。除標準化流程外，特別強調了兩個實用的小技巧：先使用冷溶劑潤濕各成分后再加熱溶解，以及通過離心方法除去溶解后產生的大量微氣泡能夠顯著提升打印質量。
2. 支架打印：
因為相關打印設備的商業化，打印過程的設置已變得非常簡便，而打印參數設置通常軟件里也配有推薦值，初學者可根據軟件提示一鍵打印。然而作者重點提示了兩個打印過程中常見的問題：模型擺放方向與打印件脫落，闡釋了打印時間、x-y平面與z方向制造精度差異與模型擺放方向間的關系，介紹了采用打印原液對平臺涂底的防脫落實用技巧。
3. 后處理：
后處理是很多熟悉PBP的研究者都容易忽略的過程，科學的后處理不僅可以大大延長支架的儲存時間，而且能提升成品精細結構精度與細胞粘附能力。后處理包括：清除剩余的未交聯材料、消毒、生物因子處理、凍干等標準步驟。
4. 細胞接種：
與傳統培養皿或孔板中平面接種細胞不同，PBP打印的水凝膠支架通常具有復雜的三維形貌，為復雜的曲面接種細胞通常需要多角度多次接種。文中以空心管狀結構為例，介紹了如何將內腔鋪滿細胞的標準化操作方法與其背后的原理。
【實驗案例】
圖2 管狀支架應用案例
管狀結構廣泛存在于生物體內，如血管、髓鞘、膽管等。作者按PBP標準流程進行操作，并給出了各環節的具體參數。通過PBP打印支架再接種的方法能夠制造出含有單層均勻布滿內腔的內皮細胞層血管模型。
【討論：載細胞打印 vs 支架接種細胞】
如今載細胞打印技術也已非常成熟，為什么我們還需要先制造支架再進行接種的分步方案？作者給出了以下兩點重要理由：
1. 空間分離避免成形性與生物性的矛盾：
生物材料需要兼具生物性能與成形性能，但這兩者通常是矛盾的，優異的生物性能需要多孔疏松的材料來降低對細胞的約束，提升物質的交換，這勢必會降低交聯過程中交聯基團間發生反應的概率，降低成形性。這是細胞處于水凝膠內部三維包裹時的情況，即載細胞打印時無法避免的問題。然而，支架打印剝離了制造與細胞培養的過程，制造過程中無細胞，接種過程中細胞實際以二維鋪展狀態粘附在三維支架表面。兩個過程不再彼此制約，從而可以制造出更加復雜的支架結構用于搭載細胞。
2. 時間分離降低復雜度便于交叉合作：
載細胞打印時，必須同時滿足材料、制造、細胞等前提條件，受到細胞活性的限制，整個過程必須在短時間內完成。從研究者的實驗角度考慮，這需要完整的材料、工程、生物因素同時在場，無疑在無形中大大提升了門檻。而支架打印完全可以提前做好支架并凍干保存，然后待細胞狀態合適時再進行接種。這降低了完整流程的復雜度、提升了成功率、也方便不同學科間的交叉合作。
文章來源：
https://doi.org/10.1007/s42242-022-00189-0
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