透過光抑制新機制提升高解析3D列印成型

      光固化生物3D列印技術（如：數字光處理，DLP）可精確控制細胞和生物材料在空間中的分佈，以此構建複雜幾何結構，被廣泛應用於組織工程、藥物篩選、外科植入物等生物醫學研究領域。然而，在DLP列印過程中，
光在固液兩相界面會產生物理散射，細胞的混入會加劇此種散射效應，導致水凝膠在非目標區域固化，降低了列印精度，使眾多生物性能優異且具有小尺度特徵（如血管網絡和薄壁結構等）的複雜結構難以成型，限制了DLP列印技術在生物醫學領域的應用。針對這一挑戰，湖南大學機械與運載工程學院韓曉筱教授等提出了一種光吸收與自由基反應協同作用的光散射抑制新機制，並基於此機制開發了一種新型光抑製劑（Curcumin-Na，Cur-Na），降低了載細胞水凝膠光固化列印過程中的光散射效應，將列印精度提高到1.2-2.1像素點，幾何誤差低於5%，成功製造了各種具有多尺度通道和薄壁網絡結構的生物活性功能支架。此外，該方法具有較寬的列印參數窗口，極大地縮短了參數優化過程。相關研究成果以題為”Photoinhibition via simultaneously photoabsorption and free-radical reaction for high-fidelity light-based bioprinting”的文章發表在《Nature Communications》（SCI一區，Top期刊，IF=17.69）。湖南大學博士研究生賀寧為第一作者，湖南大學機械與運載工程學院韓曉筱教授和陳鋒副教授為通訊作者。

      水凝膠生物墨水中傳統的光吸收劑能夠吸收過量的光能量，防止列印層厚過厚，從而在一定程度上提高垂直方向上的列印精度。然而，傳統的光吸收劑難以解決由光散射引起的水平方向上過固化的問題。因此，
該研究提出了光吸收與自由基反應協同作用的光抑制機制：保留傳統光吸收劑功能的同時並能“搶奪”水平方向上散射光激發的自由基，抑制散射區域的自由基與水凝膠發生聚合反應，防止非目標區域的固化，從而提高水平方向上的列印精度和保真度。基於此機制，該團隊首先成功開發了一種新型光抑製劑（Cur-Na）（如圖1），其具有良好水溶性和生物相容性。接著，該團隊製備了含不同光抑製劑的PEG-GelMA生物墨水，通過研究生物墨水的物化性質評價了其可列印性和機械性能（如圖2）。然後通過理論和實驗研究聚合過程，揭示了Cur-Na減輕散射效應的機制（如圖3）：Cur-Na的吸收峰位於425nm附近，非常接近光源波長，可以作為典型的光吸收劑降低光穿透深度。同時，Cur-Na 可以通過更高的反應速率競爭性地搶奪自由基來阻止水凝膠單體聚合形成固化水凝膠。再者，Cur-Na 的反應產物為液體，避免了非目標區域的固化。由於Cur-Na 的高反應性速率，固定濃度的Cur-Na 可以在很寬的光強度範圍內抑制散射效應，避免在列印不同結構的時，列印參數再次優化，提高列印效率。文章中，圖4和圖5定量研究了加入Cur-Na後的生物墨水的列印分辨率和圖案保真度，以驗證Cur-Na在解決光散射效應方面的有效性。之後，團隊將添加了Cur-Na的生物墨水應用到摩方精密microArch S140光固化列印機中，成功地製造了各種複雜結構體（仿生支架，可灌注血管網絡，極小三週期曲面等），證明了該光抑製劑在製造具有小尺度特徵的功能性載細胞三維支架方面的卓。越能力（如圖6）。圖7進一步證明了此生物墨水在組織工程中的適用性。