基于DLP生物打印技術(shù)探索光引發(fā)劑和光吸收劑的最佳配比

在數(shù)字光處理（DLP）生物打印中，光引發(fā)劑（PI）和光吸收劑（UA）對打印成形都起著關(guān)鍵作用（圖1）。PI在打印過程中會產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)生物墨水的光聚合；然而，從PI中解離的自由基過多會造成細(xì)胞損傷，而PI濃度不足又會限制生物墨水的光固化程度，影響打印結(jié)構(gòu)的機械性能和分辨率。UA可以防止過度交聯(lián)的發(fā)生，提高打印分辨率；然而，過量的UA也可能對細(xì)胞產(chǎn)生毒性。因此，探索出兼顧可打印性和最小細(xì)胞毒性的PI和UA組合對生物打印來說至關(guān)重要。

圖1 PI和UA的作用示意圖

近期，來自美國Wake Forest School of Medicine的Sang Jin Lee團隊對載細(xì)胞生物打印中使用最多的PI和UA進(jìn)行了比較及組合，并最終篩選出了兼顧可打印性和細(xì)胞活性的組合配比。相關(guān)論文“Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting”發(fā)表在Biofabrication雜志上。

首先，實驗人員對眾多PI進(jìn)行了比較，從中選取了LAP（0.2 w/v%）和 Irgacure 2100（0.5 w/v%）作為本次實驗的PI。經(jīng)實驗分析得出LAP打印的效果優(yōu)于Irgacure 2100，并且每層所需的固化時間也明顯較短，大大縮短了整體的打印時間（圖2）。

圖2 PI的DLP打印可行性

為了評估PI的細(xì)胞毒性，實驗人員用含有0.2 w/v% LAP的培養(yǎng)基對C2C12細(xì)胞系進(jìn)行培養(yǎng)，并對不同時間點的細(xì)胞進(jìn)行了活死染色（圖3）。

圖3 PI的細(xì)胞毒性評估

隨后，實驗人員對眾多UA的光吸收能力進(jìn)行了比較，最終選擇了R1800和R1888作為本實驗的UA。為了評估不同阻光劑對打印成型精度的影響，實驗人員利用DLP技術(shù)制造了具有不同孔道直徑的多通道結(jié)構(gòu)來測試R1800和R1888的區(qū)別（圖4）。實驗結(jié)果表明當(dāng)R1800和R1888的濃度為0.5w/v%時，所得到的打印結(jié)構(gòu)精度最高。

圖4 DLP打印通孔結(jié)構(gòu)

為了評估所選UA的細(xì)胞毒性，研究人員將C2C12細(xì)胞放置在含有不同濃度R1800和R1888的培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)（圖５）。當(dāng)UA濃度超過0.5%時，含有R1888培養(yǎng)基中的細(xì)胞增殖情況明顯弱于含有R1800的培養(yǎng)基，從而得知在保證打印精度的情況下，UA選用R1800更為合適。

圖5 UA的細(xì)胞毒性測試

最后，研究人員通過對含有C2C12細(xì)胞的生物墨水進(jìn)行了DLP生物打印來評估該PI/UA配比體系對細(xì)胞活性的影響，研究人員采用成分為4-PEGDA（8 w/v%）/ LAP（0.2 w/v%）/ R1800（0.5 w/v%）的生物墨水進(jìn)行了載細(xì)胞打印，在培養(yǎng)的前14天內(nèi)C2C12細(xì)胞的平均存活率都高于90%（圖6）。最后，研究人員通過構(gòu)建具有可灌注通道的復(fù)雜心臟結(jié)構(gòu)，研究了該PI和UA配比下生物墨水用于DLP生物打印的可行性（圖7）。

圖6 DLP載細(xì)胞打印

圖7 DLP打印復(fù)雜心臟

綜上所述，該研究對載細(xì)胞生物打印中常用的PI和UA進(jìn)行了篩選及優(yōu)化，并根據(jù)PI和UA的基本功能對其各項理化及生物性能進(jìn)行了評估，最后得到兼顧可打印性和細(xì)胞毒性的PI/UA最佳配比，該種生物墨水的組合方式在組織工程應(yīng)用中具有一定的潛力。

參考文獻(xiàn)

Huh J, Moon YW, Park J, Atala A, Yoo JJ, Lee SJ. Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting. Biofabrication. 2021 May 24;13(3).
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/abfd7a