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新闻  丨 2020.12.22

挤出与DLP 3D生物打印—比较说明

 

从坚硬的骨骼到柔软的脂肪,从微细的毛细血管到整个大脑,我们的细胞形成多种组织类型的能力是组织工程学中最引人入胜最具挑战性的方面。为了重现人体的复杂性,组织工程师将不得不利用各种3D生物打印技术来替代当前的“一刀切”解决方案。这篇文章解释了CELLINK提供的两种台式三维(3D)生物打印解决方案的优缺点-挤出型生物打印机BIO X™和INKREDIBLE™,以及轻型DLP光固化生物3D打印机Lumen X™(由Volumetric技术驱动),特别是比较每种材料的力学、分辨率、几何形状和材料兼容性。

 

打印机制

两种生物打印技术均始于计算机辅助设计(CAD)文件,该文件被切成离散的水平层,然后由打印机进行构建和堆叠以生成3D构造。不同之处在于每种方法如何处理这些层次。

对于基于压力挤出式的生物打印,更常见的技术是将糊剂或液体装入安装在龙门架或机械臂上的墨盒中,该墨盒沿打印床或表面上方的笛卡尔坐标移动,从而在其上进行打印。机械力通常是气压或电机驱动的活塞,将材料推过喷嘴以形成细丝。通过在表面上拖动细丝,龙门架跟踪第一层的轮廓。然后按照用户的要求,门架继续以填充图案逐层沉积细丝,以建立孔隙率和机械强度,直到完成打印为止。

基于数字光处理的立体平版印刷术(基于DLP的SLA)也是逐层过程,但是代替通过喷嘴挤出材料,照明源与电影放映机不同,它使用静止图像处理每一层。将此图像投影到光敏液体的浴液或液滴中会刺激化学反应,从而导致液体仅在照明时固化或固化。将这些固化层堆叠在构建平台上可产生打印对象。

 

解析度

在讨论打印技术时,通常将分辨率或最小的理论上可打印的细节进行比较,这由许多因素(例如材料和几何形状)决定,而这些因素不在本文的讨论范围之内。我们的比较集中于沿X和Y轴的平面分辨率。在基于挤出的生物打印中,喷嘴的直径决定了可以挤出的长丝的直径。在基于DLP的SLA中,投影像素的大小定义了可以固化的最小光点。该光点通常小于大多数挤出喷嘴直径,并且化学反应更加一致,从而使基于DLP的SLA印刷技术能够以比挤出生物印刷更高的分辨率产生更小,更复杂的物体。细丝离开挤压式生物打印机的喷嘴后,除了重力和摩擦力之外,没有任何东西可以控制细丝的放置和散布方式,从而导致沿细丝边界的某些变化。即使使用与基于DLP的投影机的最小光点大小相同的灯丝,在这种可变分布的情况下,挤出的印刷品看起来也会比SLA印刷的结构粗糙。

 

微流体应用

由于挤出的印刷品基本上是圆柱状的堆积物,例如舱室原木,因此长丝之间的接触面积很小。当这些堆叠的圆柱体本身以类似于血管的管状形式布置时,小的接触面积使得难以确保该管是水密的并且足够坚固以承受流经其的流体的压力。另一方面,基于DLP的SLA则将印刷材料的薄片夹在中间,基本上从一边到另一边都是粘在一起的,从而产生明显更坚固,不透水的结构。基于DLP的SLA具有更坚固的管子和更光滑的侧面,非常适合生物打印芯片实验室微流体设备,尤其是那些具有复杂网络的设备或需要在显微镜下成像且无畸变的设备。基于DLP的SLA在打印复杂的负面特征(如网络)时的优势也有助于其打印复杂的正面特征(如网格)的能力。

 

控制孔隙率

组织工程支架需要在各个维度上均具有特定的孔隙率和形状,以匹配天然组织并允许细胞存活,但是挤出生物打印机仅在填充线之间的负空间内即可形成孔隙率。如图1所示,使用挤压打印机打印立方体时,用户可以选择一定百分比的六边形填充物,然后机器将在立方体内打印垂直对齐的六边形。

图1. 立方体的挤压3D打印。 A)立方体的CAD模型,B)显示周长(黄色)和填充(红色)路径的切片图像,C)挤压的立方体。

 

挤出切片机着眼于对象的外部边界时,基于DLP的SLA切片机以100%填充的方式在单个图像中捕获层的整个平面,因此必须在原始模型中创建所需的任何孔隙率。 尽管这可能会带来前期的复杂性,但许多CAD套件仍可以将格子图案应用于对象,例如图2中的立方体。

图2. 基于DLP的多维数据集的3D打印。 A)具有螺旋状结构的立方体的CAD模型,B)将被投影到感光材料上的切片的图像,C)印刷的螺旋状立方体(右)。

 

组织(如骨骼)在三个维度上具有孔隙和几何形状,因此能够生成并打印重复的晶格或随机3D结构将产生更好地模仿生理组织的支架。基于逐丝挤出的方法具有固有的易碎性,使得像图2中的结构那样几乎不可能打印网格。另外,在挤压结构中,孔隙是垂直存在的,而水平孔隙则出现在层之间,因此是有限的或不存在的。考虑到每种技术的不同优势,用户必须为其设计考虑最适合的生物打印方法。虽然挤压提供了简化的设计和打印过程,使其非常适合于访问CAD软件受限或刚刚起步的实验室,但基于光的生物打印技术目前是再现人体最小,最复杂结构的最佳选择。但是形状和大小只是组织工程难题的一部分。

 

选择材料

如果器官由一种材料和一种细胞类型组成,则生物打印器官将容易得多,但是适当地重建器官意味着捕获不同细胞类型的空间排列。挤压打印机可以在龙门架上排列任意数量的墨盒,从而可以逐个细丝地排列材料和细胞,从而精确地模拟体内环境。相比之下,基于DLP的SLA浴通常是一种材料和一种细胞类型。已经进行了多种尝试来执行多材料SLA打印,其中材料或单元类型的布置无关紧要;然而,这些尝试通常涉及缓慢,重复的清洁步骤,并且存在洗涤液之间或从一种材料到另一种材料之间交叉污染的风险。挤出不仅可以进行多种材料的生物印刷,而且还可以使用多种材料进行印刷。

将流体推入药筒的简便性,使组织工程师在挤出液化然后固化的材料之前和之后都具有创造力和灵活性。挤压材料的几乎无限可能解释了BIO X可用的打印头的多样性,使研究人员可以在单张打印中组合多种材料和单元类型。顾名思义,基于光的生物打印技术(例如在Lumen X中发现的基于DLP的SLA)使用感光材料和光源来促进固化。感光材料还必须具有足够低的粘度,以便在打印过程中构建平台移入和移出液体时,液滴可以流入液滴。

从力学、分辨率、几何形状和材料选择的角度来看,基于挤压的SLA生物打印机和基于DLP的SLA生物打印机之间存在许多差异。但是每种方法的优点使它们在许多研究环境中具有完美的互补性。挤出技术可以从多种生物墨水调色板中进行多种材料的打印,并提供简化的模型设计,而基于DLP的SLA则可以在高分辨率下实现显着的几何复杂性,并且根据所使用的材料,可以实现完美的清晰度。研究人员还可以在一个实验中结合这两种技术。例如,通过将混合的细胞从BIO X挤出到在Lumen X上印刷的微流体芯片中。无论您选择在工作流程中添加一个还是两个,您都会发现CELLINK提供了可靠的,通用的生物打印解决方案。

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