3D打印——一种创新的制造技术——已经从其最初在制造业中的应用，如塑料、金属和其他材料的产品制造，渗透到了更为复杂和精细的领域，其中就包括生物医学。3D打印的这种“增材制造”方式可以一层一层地打印出任何组织工程所需的生物组织或器官。

在众多3D打印技术中，光固化3D打印技术逐渐引起人们的关注，它的主要优势是精度高和速度快。光固化3D打印技术的工作原理是使用一个光源（通常是激光或者数字光处理投影）来照射光敏性树脂，这种树脂含有可以通过光引发反应而交联固化的分子。当这些分子暴露在光源下时，它们会迅速交联并固化，形成一个硬化的层；然后，打印平台下降一层的厚度，另一层液态树脂铺上来，再次被光源照射并固化。这个过程反复进行，最终形成一个完整的三维结构。

高分辨率：对于生物医学应用，精确制造出复杂的微观结构，如细胞和微小血管是十分重要的，光固化3D打印技术恰好能够满足；

打印速度：光固化3D打印的另一个优点是它的打印速度。例如DLP光固化3D打印就可以一次固化一整层的树脂，这种快速的打印方式在医疗体系内有着广阔的应用前景。

2023医疗器械展览会Medtec China 光固化3D打印技术，进行了全方位的解读，从材料选择的多元性和灵活性，到打印过程中关键因素的把控，再到充满未来潜力的组织工程应用示例，我们希望通过系统而深入的探讨，为大家提供一个全面理解和应用这一技术的框架。供大家参考学习！

一、光固化材料的选择

在光固化3D打印过程中，光敏性树脂的化学反应是关键的一步。光敏性树脂通常包含大量的含双键的化合物，例如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。当这些树脂暴露于特定波长的光（如紫外光）时，其中的双键会吸收光能并打开，形成活性的自由基。这些自由基会进一步触发连锁反应，使得其他的双键也打开，形成一个大的三维网络结构，这就是我们所说的固化过程。这个过程的速度和效率，决定了3D打印的效果和性能。

以下是常见的应用于光固化生物3D打印的光固化交联剂：

1. 聚乙二醇二丙烯酸酯（Poly(ethylene glycol) diacrylate，PEGDA）：PEGDA是一种常用的生物光固化材料，因为它具有良好的生物相容性、可调节的机械性质（例如强度和柔韧性）以及可调节的固化速度。这使得PEGDA成为一种适用于许多不同类型的生物应用的理想材料，包括生物组织的3D打印、药物输送系统和细胞培养支架。PEGDA的分子量将影响其一些关键的性质，如其水溶性、粘度、交联密度、机械性能以及对细胞的生物相容性等。因此，选择合适分子量的PEGDA是光固化3D打印制备生物医学产品的一个重要因素。

 

2. 甲基丙烯酸酰化明胶（Gelatin methacryloyl，GelMA）：GelMA是一种由明胶（一种天然蛋白质）和甲基丙烯酸酯（一种常用的光敏单体）合成的生物相容材料。在光固化3D打印中，GelMA通常被用来打印多种类型的人体组织模型及组织工程材料，如血管、心肌、皮肤、骨骼、肝脏等。除此之外，GelMA也可以与其他生物材料进行混合，以改善打印效果或实现特定的应用需求。由于GelMA是从天然材料衍生而来的，其性能可能会因为来源的不同而存在一定的批次差异；此外，其固化后的凝胶对湿度和温度非常敏感，这可能会影响其在某些环境中的稳定性。

 

3. 透明质酸甲基丙烯酸酯（Hyaluronic acid methacrylate，HAMA）：透明质酸是一种天然存在的聚糖，存在于所有哺乳动物的连接组织，眼睛和关节液中。它对细胞具有良好的相容性，可以模拟自然细胞环境。在HAMA中，透明质酸分子上的羧基与甲基丙烯酸反应，形成丙烯酸酯基团，这使得它可以通过光固化交联，形成稳定的三维网络。与GelMA和PEGDA等材料一样，HAMA的理化性质（如力学性能和降解速率等）可以通过调控交联程度来改变，这为特定的应用提供了极大的灵活性。

 

4. 甲基丙烯酸羟基乙基甲基丙烯酸酯（Hydroxyethyl methacrylate, HEMA）：HEMA是一种水溶性丙烯酸酯，其具有良好的生物相容性，但是未反应的HEMA单体可以被认为是具有一定细胞毒性的。因此，在使用HEMA进行生物医学应用时，必须确保其充分固化以降低其毒性。

 

5. Pluronic F127-二丙烯酸酯 (PF127-DA)：PF127-DA是一种在光固化生物3D打印中被广泛应用的交联剂，它是由商业化的嵌段共聚物Pluronic F127通过接枝丙烯酸酯基团制备的。Pluronic F127由聚氧化乙烯和聚氧化丙烯组成，通过改性，PF127-DA在其聚氧化乙烯部分带有丙烯酸酯功能基团。由于丙烯酸酯的存在，PF127-DA可以通过光固化实现交联，形成稳定的三维结构。这种材料可以在室温下液态存储，而在需要形成稳定结构时进行光固化，这为打印复杂形状的生物材料提供了方便。

此外，许多不含双键的分子可以通过引入双键，比如丙烯酸酯（acrylate）或甲基丙烯酸酯（methacrylate）等功能团，变成可以进行光聚合的交联剂。这种方法常常被用于改善原有材料的性质或者创建全新的材料，比如提高其光固化效率、改善其生物相容性或调整其机械性质等。这也是生物光固化3D打印中常用的一种策略，可以实现更多的自定义设计和更广泛的应用。

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二、光固化打印的因素

除了可光固化交联剂的选择之外，在选择光固化材料时还需要考虑以下关键因素：

1. 固化速度：决定打印效率。理想的光固化材料应具有足够快的固化速度，以便在短时间内形成稳定的三维结构。然而，如果固化速度过快，可能导致打印的细节丧失（过曝）或形变。因此，选择合适固化速度的材料是一种权衡，以下是几种可以调节固化速度的方法：

（1）调整光敏性树脂的配方：光敏性树脂通常含有光引发剂，这是一种可以吸收光能并引发固化反应的化学物质。可以通过增加或减少光引发剂的含量，或者更换不同类型的光引发剂来调整固化速度；此外，也可以通过添加色素等光吸收剂来降低固化速度。

（2）使用不同波长的光：不同的光引发剂对不同波长的光的反应不同，一些树脂可能对特定波长的光更敏感，选择合适波长的光源也可以影响固化速度。

（3）改变光源的强度：照射光敏性树脂的光源的强度越大，光引发反应的速度通常越快，固化速度也就越快。相反，如果光源的强度降低，固化速度则会变慢。因此通过调整光源的强度，可以在一定程度上控制固化速度。

（4）改变光源的照射时间：照射的时间越长，固化的程度就越深，反之则越浅。调整照射时间也可以影响固化速度。

实际操作中，可能需要根据具体的应用需求和实际情况，进行多种因素的综合考虑和调整。

2. 强度：决定了打印物的耐用性和功能。不同的应用对材料的强度有不同的需求。例如，打印用于承受重压或高应力的零件（例如骨骼、牙齿的组织工程材料）需要选择具有高强度的材料，而用于装饰或低应力应用的零件（例如皮肤）则可以选择强度较低的材料。

3. 柔韧性：柔韧性决定了打印物的弹性和韧性。需要具体需求具体分析，一些应用需要硬而脆的材料，而另一些应用可能需要柔韧的材料。例如，用于制造柔软生物组织模型的材料需要具有一定的柔韧性。

4. 生物相容性：对于生物医学应用，如3D打印人工组织和器官，生物相容性是极其重要的因素。选用的光固化材料必须是生物相容的，即它不会对生物组织产生有害反应，不会诱发不良免疫反应，对细胞无毒，同时能够支持细胞附着和生长。较小的分子或者分子碎片更容易穿透细胞膜，进入细胞内部。如果这些小分子或碎片是有毒的，或者能够诱发细胞应激反应，那么可能会引发炎症或其他不良反应。在3D打印或其他生物医学应用中使用的材料，通常需要具有一定的稳定性，以防止在生理条件下过快分解或释放有毒的小分子。

 

5. 其他因素：还有其他一些因素可能需要考虑，如材料的成本、是否容易获得、光敏性、稳定性以及对环境影响等。

选择适当的光固化材料是一项复杂的任务，需要综合考虑上述因素以及特定应用的具体需求。在一些情况下，可能需要通过改进现有材料或开发新材料来满足特定的需求。不断的研究和发展正在推动光固化材料科学的进步，以满足光固化3D打印在各种应用中的需求。

三、光固化3D打印在组织工程中的应用

光固化3D打印因其高度的精度和灵活性，已经成为组织工程领域的一种重要技术。EFL总结了光固化3D打印在组织工程中的一些主要应用：

应用1——构建复杂的生物组织、器官模型：生物组织通常具有非常复杂的微观和宏观结构。光固化3D打印技术可以精确地复制这些结构，从而创造出准确的生物组织模型。

应用2——定制个性化的移植物：通过将医学影像数据（如CT或MRI扫描结果）与3D打印技术相结合，可以制造出完全匹配患者特定解剖结构的个性化移植物。这种技术已经用于制造个性化的骨骼、牙齿和关节等移植物。

应用3——生物打印：生物打印是一种特殊的3D打印技术，它使用生物材料（如细胞和生物分子）作为“墨水”，打印出活性的生物组织和器官。光固化3D打印在这方面有很大的潜力，因为它可以在细胞级别上精确地控制材料的分布。

应用4——构建药物递送系统：光固化3D打印可以用于制造精确的药物递送系统，例如药物载体的结构设计。这些系统可以用于定向递送药物，提高药物的疗效并减少副作用。

应用5——打印细胞支架：这是一种三维的微观结构，可以提供细胞生长和分化的物理支撑。细胞支架在组织工程中起着关键的作用，因为它们可以模拟细胞在体内的自然环境，促进新组织的形成。基于光固化3D打印支持非常高的精度，可以创造出超精细的细胞外基质结构。

应用6——制造柔性生物传感电路：柔性生物传感电路通常由可弯曲、可拉伸的电子元件组成，可以与生物组织紧密结合，以实时、连续地监测生理信号。例如，这些设备可以用来监测心电信号、神经电信号、肌电信号，或者生理化学参数如血糖浓度、血氧浓度等。导电聚合物、金属纳米线和碳基材料（如碳纳米管和石墨烯）等材料都可以被设计成光敏性树脂，然后通过光固化3D打印技术精确地打印成所需的电路结构。

 

其他应用：此外，光固化3D打印技术还可以用于制造柔性的生物电池、能源采集器和生物电子皮肤等设备。这些设备将电子技术和生物技术紧密地结合在一起，为医疗、健康监测和人机接口等领域提供了新的可能性。然而，要实现这些应用，还需要解决许多科学和工程问题，例如如何设计和选择合适的光敏性材料，如何确保电路的性能和稳定性，以及如何保证生物相容性和生物稳定性等。

医用金属以及医用橡塑材料的头部企业们悉数参加2023医疗器械展览会Medtec China：韦恩堡、庄信万丰贵金属、田中贵金属（上海）、ELGILOY特种金属、三铃制线、麦迪斯、美国奥博锐、古河科技、沈阳中核舰航、路博润、NuSil、迈图、科思创、艾曼斯、塞拉尼斯、索尔维、龙海化工、江苏君华等

相关研究及综述

文献1：《Adv. Mater.》基于数字光处理的具有可组合梯度的生物打印（2021）

主要内容：复杂组织的再现意味着一个巨大的挑战，迄今为止，只有少数方法可以有效地重建3D结构中必要的梯度。本文开发了一种基于可组合梯度数字光处理的打印系统，利用微流体混合器的前所未有的集成来实时生成所需生物墨水的连续或离散梯度。通过调整生物墨水流量比率，可以轻松地即时组合精确控制的梯度。作者展示了在水平和/或垂直方向上表现出材料、细胞密度、生长因子浓度、水凝胶刚度以及孔隙率的连续梯度的各种平面和3D结构。

文献2 ：《Adv. Funct. Mater.》：用于3D生物打印的光固化水凝胶的形成理论和可打印性（2023）

主要内容：由于光固化生物水凝胶具有良好的成型性和生物相容性，生物墨水已逐渐从离子交联过渡到光交联。了解和量化光固化水凝胶的交联过程非常重要，否则生物打印就无法标准化和规模化。然而，关于水凝胶形成过程及其光交联行为的研究很少，无法准确预测。本文以光引发自由基聚合生物水凝胶为例建立形成理论。作者提出了有效双键转换（EDBC）的概念，定义了几个重要的形成指数。根据理论预测，缓慢交联可以提高交联度。此外，基于缓慢的交联效应，提出了基于投影的3D打印（PBP）的新策略，显着提高了打印质量和效率。

文献3：《Aggregate》：用于组织建模和再生的数字光处理的（生物）打印策略（2022）

主要内容：3D生物打印能精确制造各种3D高分辨率物体，广泛用于创建模拟人体微生理环境的3D组织模型。其中，DLP 3D打印技术可设计和开发复杂的组织支架，将各种干细胞封装到具有不同硬度的材料中。本文对DLP生物打印进行了简要介绍，并进一步讨论了具有各种生物墨水的 DLP（生物）打印机的设计和制造及其在药物筛选、疾病建模、组织修复和再生医学方面的生物医学应用。最后，详细介绍了DLP打印平台的优势、挑战和前景。

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1002/agt2.270

 

文献4：《Biomaterials》：数字光处理3D打印丝素蛋白水凝胶用于软骨组织工程（2020）

主要内容：使用数字照明处理（DLP）打印机进行3D打印已成为再生医学组织工程的新浪潮，特别是对于临床应用。该研究利用缩水甘油基甲基丙烯酸酯（Silk-GMA）制造用于DLP 3D打印。体外培养系统评估了含有软骨细胞的Silk-GMA的软骨形成能力并在体内应用。长达4周的Silk-GMA水凝胶体外培养可以确保细胞的活力，增殖和分化为软骨形成。动物实验表明移植的Silk-GMA水凝胶周围发现了新的软骨样组织和上皮。

 

文献5：《Biomaterials》：快速打印仿生3D组织结构，实现皮肤再生（2020）

主要内容：对于现有的生物打印技术来说，制造适合植入的器官仍然是一个挑战，主要是由于无法概括器官的复杂解剖结构、机械性能和生物学功能。为此，本研究开发了一种使用新设计的仿生生物墨水（GelMA/HA-NB/LAP）和基于数字光处理（DLP）的3D打印技术打印功能性活体皮肤（FLS）的新方法。FLS具有相互连接的微通道，可促进细胞迁移，增殖和新组织的形成。生物墨水展示了其快速凝胶动力学、可调机械性能和组织粘附性。FLS通过模仿天然皮肤的生理结构来促进皮肤再生和有效的新生血管形成，本研究为未来临床应用提供了一种快速、大规模生产功能性活体器官的方法。

结语

光固化3D打印作为一种新型的生物制造技术，正改变着组织工程领域的未来。该技术的核心在于利用光固化材料在光的照射下迅速从液态转变为特定形状的固态，这使得我们能以前所未有的精度和速度来构建复杂的生物组织结构。本文对常用的光固化材料，如PEGDA、GelMA、HAMA、HEMA和PF127-DA等进行了详细的介绍，这些材料因其良好的生物相容性、可调整的力学性能、以及灵活的化学改性可能性，为组织工程提供了广泛的选择。同时，我们也介绍了如何根据不同的生物应用需求来选择和优化这些材料。

尽管光固化3D打印在组织工程中展示出了巨大的潜力，但其发展仍面临许多挑战。首先，如何进一步提高打印精度，以更好地复制生物组织的微观结构，这是一个重要的技术挑战。其次，如何保持和增强打印组织的生物活性，以确保其在植入体内后的功能表现，这需要我们在材料设计、打印过程和后处理中进行更深入的研究。此外，光固化过程中可能产生的副产物，如未固化的单体和光引发剂，以及固化过程中可能引发的温度升高和脱水问题也需要进一步解决。

可以预见，光固化3D打印有可能实现更广泛的生物组织的制造，包括复杂的多细胞组织、病理模型甚至完整的器官。这不仅需要我们不断改进和开发新的光固化材料，也需要我们在打印设备、控制策略、以及与生物学、医学等相关领域的交叉研究中进行深入探索。