徐善慧教授：寻找变与不变的平衡点，改变3D生物打印

引言

在第一届Regenovo生物3D打印学术论坛上，台湾大学组织工程与3D列印中心主任徐善慧教授分享了其团队在水性高分子材料用于3D生物打印方面的一些研究成果。

整理：赵成龙

徐善慧教授

照片来源：Regenovo

工业上有很多种3D技术，但并不是都能够应用于生物医学。因此生物医学中除了用一些硬组织材料，就是一些镭射技术，有机材料比较常见的是SLAFDM和LFDM，最简单的是挤压成型的方法。一般的3D打印材料可以大致分为无机材料和有机材料两大类，今天我主要针对有机材料的部分。

低温加工水性材料的出现

有机材料的好处就是加工方式很多，目前在产业界用得最多的是聚乳酸（PLA）和丙烯晴-丁二烯苯乙烯共聚物（ABS），他们的差异在于ABS是不能分解的。

高分子3D打印材料最流行是ABS，他的加工性能很好，但是他的问题在于它的一般加工方式是高温，在打印的时候会有味道，这个味道与他的挥发性有关，因此近年来受欢迎程度不及PLA。如果用高温加工，PLA和PCL都会发生水解，因此打印出的东西跟原料是不一样的，这就限制了在医疗领域的应用，因此我们在2001年开始就决定不用高温来做PLA和PCL的打印，因为打印完以后，原料的水解程度都不一样。因此后来我们改用溶剂的方法，在低温下来加工。

高分子的好处在于他除了可以用熔融加工之外，还可以用溶剂加工，溶剂就可以用低温，但是溶剂大部分都是有毒的，PLA、PCL的溶剂通常有1,4-二噁烷、二氯甲烷、三氯甲烷。水性打印材料做到了绿色环保，不仅是对外环保，对人体也是安全的，不用担心当生物打印支架的孔隙度高的时候残余溶剂的安全性。

常用的水性打印材料中，天然高分子的有壳聚糖、明胶等，壳聚糖以液体冷冻沉积方式成型，但是他性质较脆，明胶以光固化方式成型，用光固化的好处是容易成型，但是会存在自由基，如果打印的是细胞，不同的细胞吃掉自由基的程度不同，因此系统换了细胞之后，就需要调整，而且细胞的存活率会受到自由基的影响。合成高分子有PEG和普朗尼克，它们的优点在于灵活的可修饰性，但是它们不能生物分解，只能溶解，因此只有在小分子的时候可以溶解，然后被排出体外。

改善方案

1、水性生物可降解有机弹性体的3D打印技术

我们把PCL或者PLA这种可分解的聚酯引入到PU这个高分子的R端，接着经由一些小分子合成技术做自乳化，在这里引入带负电的物质，可以把它做成带负电的纳米弹性体，然后就可以简单地利用水性低温的系统来物化成型。这就是我们的打印系统，大概在-20~-30℃的低温情况下就可以快速地进行打印。

那为什么我们可以做这件事呢？原因就是，我们打印出来的东西里面有大堆PU的纳米弹性体，每一个纳米弹性体大概有200-300的高分子链，每条链带分子量是10万，所以整体有1000万的分子量，所以它相当于一个纳米的橡胶，虽然是纳米级别的，但是仍然有弹性体的力学特性。这样的物质有一个好处，就是把它加工之后变成了水不溶性，可以打印出各种大小的目标物质，这些目标物质都是水性的打印材料，但是可以不溶于水。打印出来的软骨，它的压缩性值、各种机械性值、动态机械性值跟天然的软骨是比较类似的。

接下来的问题就是细胞是否可以留在里面。从我们得到的结果来看，细胞在PU里面可以长得比PLGA还要好，原因是PLGA表面都是疏水基团，而我们的PU是水性系统，细胞更容易种进去。所以整体来讲，它的生物相容性是很好的，并且更大的好处是我们可以把生长因子、FTF或者其他药物跟细胞同时打印进去，然后随着时间的推移在体内释放出来。

有人说在平面培养细胞的时候Y27632不会软骨化，但是在三维空间会。所以我们用含有Y27632的打印物来考察释放情况随着时间发生的变化。加Y27632取代TGFβ的好处是，因为TGFβ也是硬骨发育过程中需要的生长因子，所以一直释放TGFβ会走向硬骨化，但是如果用Y27632是不会的。我们看到的结果是在三天之后干细胞都可以达到一个有效浓度，这也就意味着可以聚集然后软骨化。

基因表现也都显示出把细胞种进我们打印出来的生物支架里之后，会有最好的软骨化，蛋白质表现层面也都呈现同样情况。

2、水性生物可降解水凝胶的生物打印材料

我们制成的水性材料有一个最大的缺点，就是当我们要连细胞和组织一起打印出来的时候，细胞是不太耐冻的。有团队尝试用低温加DMSO来保持细胞的活性，但是不太成功。我们希望用温感或是光固化去折中或者修改我们这些材料，希望可以把它做成一个水凝胶的打印材料。

在文献里面有很多人都讲过不同的技术，但是大部分材料都还不能满足打印的时候让它变形，打印完了之后又不变形的要求。

我们之前把同样的PU材料在改了一些R端的比例之后，发现这些纳米弹性体变成凝胶了，而且这个凝胶的状况是不可逆的，能够含住细胞。PU的水溶液好处就在于可以直接调节其中的固体成分，来改变整体的化学结构，从而改变硬度。所以可以看到，生物打印技术的发展中，流变学绝对是非常重要的一个参数，而我们的材料是可以改变流变学性质的。

生物打印的未来发展还需要解决什么问题？

我认为在未来，多细胞多材料当然要配上多喷头的设计，会使打印得到发展。

另外一个非常重要的就是血管网络形成。软骨没有血管，所以好做，但是很多组织都要血管。这个也是未来的一个方向，你如果要打印器官，尤其是肾脏、肝脏这种大型组织，血管网络的形成是非常重要的一个瓶颈。

3D生物打印到目前还有很多的改进空间，这部分我相信是有机高分子材料能够贡献的，主要的原因在于它有可能实现形变的时候可以形变，而打印完了又可以保持不变，并且能够保护细胞使其存活。

小结

1、新型的有机高分子打印材料墨水仍在发展中，希望全世界都在这个领域能够崭露头角；

2、打印的设备，不管是高温控制还是光交联的平台，在设计的时候要跟新颖的墨水材料能够彼此配合；

3、希望能够在生物墨水流变学上面找到一个平衡点，让生物墨水有一天能够很好地把组织和细胞打印出来。

第一届Regenovo生物3D打印学术论坛由浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室主办；杭州捷诺飞生物科技有限公司承办；火石创造媒体支持。