微流控氣泡發(fā)生器+DLP 3D打印用于構(gòu)建3D多孔生物支架

近幾十年來，3D打印技術(shù)構(gòu)建生物支架得到了進一步發(fā)展。與傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)相比，3D細(xì)胞培養(yǎng)支架能夠模擬天然組織結(jié)構(gòu)而占據(jù)顯著優(yōu)勢。此外，已有研究證明3D多孔支架可以通過孔洞結(jié)構(gòu)為細(xì)胞的增殖、擴散、遷移以及分化提供更高的擴散效率，從而在促進細(xì)胞的生長與代謝方面略勝一籌?，F(xiàn)有構(gòu)建3D多孔結(jié)構(gòu)的方法常采用構(gòu)筑微球犧牲層。該方式雖然成功實現(xiàn)了孔結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)卻需要耗時的洗脫步驟以移除犧牲層。即使其與高效的3D打印工藝相結(jié)合，復(fù)雜的印后洗脫工藝降低了制造效率，同時也限制了孔尺寸的靈活可控性。相比較而言，微流控芯片可以高效且靈活地控制孔尺寸，在制備多孔支架方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。因而基于微流控芯片來?gòu)建3D多孔支架是一項極具研究意義的工作。

已有研究嘗試將微流控氣泡發(fā)生器與擠出式3D打印相結(jié)合從而獲得一系列3D多孔結(jié)構(gòu)。然而該策略在制造高度較高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時效率往往較低。基于光交聯(lián)的數(shù)字光處理打?。―LP）技術(shù)因其快速光交聯(lián)的優(yōu)勢十分有利于構(gòu)建高維度復(fù)雜多孔支架。因此，利用基于微流控芯片的氣泡發(fā)生器開發(fā)DLP打印的多孔結(jié)構(gòu)是一種很有前途的研究策略。

近期，美國哈佛醫(yī)學(xué)院（Harvard Medical School）的一項研究創(chuàng)造性地將微流控氣泡發(fā)生器與自主研發(fā)的自下而上式3D打印機相匹配（圖1），首次實現(xiàn)了一步制造多孔尺寸靈活可控的，且可形成復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的3D多孔支架。該策略通過調(diào)節(jié)打印墨水的流速與進入微流控氣泡發(fā)生器的氣壓實現(xiàn)氣泡直徑從747 μm ~ 143 μm的自由調(diào)節(jié)?；诖苏{(diào)節(jié)機制，實現(xiàn)了不同復(fù)雜程度圖案的打印，如圖2所示。即使是構(gòu)建高度較高的幾何結(jié)構(gòu)（圖3）也可以輕松實現(xiàn)。

圖1 （A）微流控氣泡發(fā)生器示意圖；（B）自主研發(fā)的DLP自上而下式3D打印機的原理圖

圖2 （i）計算機設(shè)計的不同復(fù)雜程度的打印圖案；（ii）使用DLP打印出的結(jié)構(gòu)；（iii）打印結(jié)構(gòu)的放大細(xì)節(jié)圖

圖3 （i）用于DLP打印多孔支架的CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計圖；3D打印多孔支架的（ii）俯視圖與（iii）側(cè)視圖

總體而言，這項工作通過DLP打印技術(shù)結(jié)合微流控氣泡發(fā)生器，實現(xiàn)了氣泡尺寸大小靈活可控的多孔生物支架的構(gòu)建。該策略的成功有望為組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的組織支架構(gòu)建提供新思路。

以上論文以“Microfluidic bubble-generator enables digital light processing 3D printing of porous structures”為題發(fā)表在Aggregate期刊上。美國哈佛醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)碩士生Philipp Weber與哈佛醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生蔡玲為本文的共同第一作者。本文的主要通訊作者為哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang副教授，共同通訊作者為波蘭科學(xué)院Marco Costantini教授和華沙理工大學(xué)Wojciech ?wi?szkowski教授。





審核編輯：劉清