在第一屆Regenovo生物3D打印學(xué)術(shù)論壇上，臺灣大學(xué)組織工程與3D列印中心主任徐善慧教授分享了其團(tuán)隊在水性高分子材料用于3D生物打印方面的一些研究成果。
工業(yè)上有很多種3D技術(shù)，但并不是都能夠應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。因此生物醫(yī)學(xué)中除了用一些硬組織材料，就是一些鐳射技術(shù)，有機(jī)材料比較常見的是SLAFDM和LFDM，最簡單的是擠壓成型的方法。一般的3D打印材料可以大致分為無機(jī)材料和有機(jī)材料兩大類，今天我主要針對有機(jī)材料的部分。
低溫加工水性材料的出現(xiàn)
有機(jī)材料的好處就是加工方式很多，目前在產(chǎn)業(yè)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），他們的差異在于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，但是他的問題在于它的一般加工方式是高溫，在打印的時候會有味道，這個味道與他的揮發(fā)性有關(guān)，因此近年來受歡迎程度不及PLA。如果用高溫加工，PLA和PCL都會發(fā)生水解，因此打印出的東西跟原料是不一樣的，這就限制了在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，因此我們在2001年開始就決定不用高溫來做PLA和PCL的打印，因為打印完以后，原料的水解程度都不一樣。因此后來我們改用溶劑的方法，在低溫下來加工。
高分子的好處在于他除了可以用熔融加工之外，還可以用溶劑加工，溶劑就可以用低溫，但是溶劑大部分都是有毒的，PLA、PCL的溶劑通常有1，4-二惡烷、二氯甲烷、三氯甲烷。水性打印材料做到了綠色環(huán)保，不僅是對外環(huán)保，對人體也是安全的，不用擔(dān)心當(dāng)生物打印支架的孔隙度高的時候殘余溶劑的安全性。
常用的水性打印材料中，天然高分子的有殼聚糖、明膠等，殼聚糖以液體冷凍沉積方式成型，但是他性質(zhì)較脆，明膠以光固化方式成型，用光固化的好處是容易成型，但是會存在自由基，如果打印的是細(xì)胞，不同的細(xì)胞吃掉自由基的程度不同，因此系統(tǒng)換了細(xì)胞之后，就需要調(diào)整，而且細(xì)胞的存活率會受到自由基的影響。合成高分子有PEG和普朗尼克，它們的優(yōu)點在于靈活的可修飾性，但是它們不能生物分解，只能溶解，因此只有在小分子的時候可以溶解，然后被排出體外。
改善方案
1、水性生物可降解有機(jī)彈性體的3D打印技術(shù)
我們把PCL或者PLA這種可分解的聚酯引入到PU這個高分子的R端，接著經(jīng)由一些小分子合成技術(shù)做自乳化，在這里引入帶負(fù)電的物質(zhì)，可以把它做成帶負(fù)電的納米彈性體，然后就可以簡單地利用水性低溫的系統(tǒng)來物化成型。這就是我們的打印系統(tǒng)，大概在-20~-30℃的低溫情況下就可以快速地進(jìn)行打印。
那為什么我們可以做這件事呢？原因就是，我們打印出來的東西里面有大堆PU的納米彈性體，每一個納米彈性體大概有200-300的高分子鏈，每條鏈帶分子量是10萬，所以整體有1000萬的分子量，所以它相當(dāng)于一個納米的橡膠，雖然是納米級別的，但是仍然有彈性體的力學(xué)特性。這樣的物質(zhì)有一個好處，就是把它加工之后變成了水不溶性，可以打印出各種大小的目標(biāo)物質(zhì)，這些目標(biāo)物質(zhì)都是水性的打印材料，但是可以不溶于水。打印出來的軟骨，它的壓縮性值、各種機(jī)械性值、動態(tài)機(jī)械性值跟天然的軟骨是比較類似的。
接下來的問題就是細(xì)胞是否可以留在里面。從我們得到的結(jié)果來看，細(xì)胞在PU里面可以長得比PLGA還要好，原因是PLGA表面都是疏水基團(tuán)，而我們的PU是水性系統(tǒng)，細(xì)胞更容易種進(jìn)去。所以整體來講，它的生物相容性是很好的，并且更大的好處是我們可以把生長因子、FTF或者其他藥物跟細(xì)胞同時打印進(jìn)去，然后隨著時間的推移在體內(nèi)釋放出來。
有人說在平面培養(yǎng)細(xì)胞的時候Y27632不會軟骨化，但是在三維空間會。所以我們用含有Y27632的打印物來考察釋放情況隨著時間發(fā)生的變化。加Y27632取代TGFβ的好處是，因為TGFβ也是硬骨發(fā)育過程中需要的生長因子，所以一直釋放TGFβ會走向硬骨化，但是如果用Y27632是不會的。我們看到的結(jié)果是在三天之后干細(xì)胞都可以達(dá)到一個有效濃度，這也就意味著可以聚集然后軟骨化。
基因表現(xiàn)也都顯示出把細(xì)胞種進(jìn)我們打印出來的生物支架里之后，會有最好的軟骨化，蛋白質(zhì)表現(xiàn)層面也都呈現(xiàn)同樣情況。
2、水性生物可降解水凝膠的生物打印材料
我們制成的水性材料有一個最大的缺點，就是當(dāng)我們要連細(xì)胞和組織一起打印出來的時候，細(xì)胞是不太耐凍的。有團(tuán)隊嘗試用低溫加DMSO來保持細(xì)胞的活性，但是不太成功。我們希望用溫感或是光固化去折中或者修改我們這些材料，希望可以把它做成一個水凝膠的打印材料。
在文獻(xiàn)里面有很多人都講過不同的技術(shù)，但是大部分材料都還不能滿足打印的時候讓它變形，打印完了之后又不變形的要求。
我們之前把同樣的PU材料在改了一些R端的比例之后，發(fā)現(xiàn)這些納米彈性體變成凝膠了，而且這個凝膠的狀況是不可逆的，能夠含住細(xì)胞。PU的水溶液好處就在于可以直接調(diào)節(jié)其中的固體成分，來改變整體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而改變硬度。所以可以看到，生物打印技術(shù)的發(fā)展中，流變學(xué)絕對是非常重要的一個參數(shù)，而我們的材料是可以改變流變學(xué)性質(zhì)的。
生物打印的未來發(fā)展還需要解決什么問題？
我認(rèn)為在未來，多細(xì)胞多材料當(dāng)然要配上多噴頭的設(shè)計，會使打印得到發(fā)展。
另外一個非常重要的就是血管網(wǎng)絡(luò)形成。軟骨沒有血管，所以好做，但是很多組織都要血管。這個也是未來的一個方向，你如果要打印器官，尤其是腎臟、肝臟這種大型組織，血管網(wǎng)絡(luò)的形成是非常重要的一個瓶頸。
3D生物打印到目前還有很多的改進(jìn)空間，這部分我相信是有機(jī)高分子材料能夠貢獻(xiàn)的，主要的原因在于它有可能實現(xiàn)形變的時候可以形變，而打印完了又可以保持不變，并且能夠保護(hù)細(xì)胞使其存活。
小結(jié)
1、新型的有機(jī)高分子打印材料墨水仍在發(fā)展中，希望全世界都在這個領(lǐng)域能夠嶄露頭角；
2、打印的設(shè)備，不管是高溫控制還是光交聯(lián)的平臺，在設(shè)計的時候要跟新穎的墨水材料能夠彼此配合；
3、希望能夠在生物墨水流變學(xué)上面找到一個平衡點，讓生物墨水有一天能夠很好地把組織和細(xì)胞打印出來。