鄭子卓，David Eglin ，Mauro Alini ，Geoff R. Rihards ，秦嶺，賴毓霄,e,*

a Centre for Translational Medicine Research and Development, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China

b Key Laboratory of Health Informatics, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China

c AO Research Institute, Davos CH-7270, Switzerland

d Musculoskeletal Research Laboratory, Department of Orthopedics and Traumatology, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China

e Guangdong Engineering Laboratory of Biomaterials Additive Manufacturing, Shenzhen 518055, China

1. 引言

隨著人體重要器官終末期衰竭率的激增，醫(yī)學(xué)界迫切需要一種能夠有效修復(fù)和恢復(fù)受損器官的創(chuàng)新治療方法。此外，器官移植領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)在于最佳捐贈(zèng)者器官短缺和匹配的困難。近年來組織工程在再生受損組織方面取得了顯著成就并引起了臨床移植醫(yī)生和研究人員的廣泛關(guān)注。組織工程被認(rèn)為是一種可能的手段，用于解決臨床對(duì)活體器官日益增長的需求以及解決活體器官移植的局限性[1-4]。細(xì)胞、支架和生物/生化因子一般被稱為基于組織工程的再生醫(yī)學(xué)策略的“構(gòu)建模塊”的基本要素[5-7]。理想的組織工程生物活性支架將為細(xì)胞、生物活性因子和周圍組織之間的相互作用提供平臺(tái)[4]。此外，支架為細(xì)胞提供物理支撐并控制因子的釋放。

Charles W. Hull于1986年首次提出三維（3D）打印技術(shù)[8]。3D打印是一種由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型來構(gòu)建物體的制造過程[5]。與傳統(tǒng)制造（如鑄造和鍛造工藝）相比，3D打印是指通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成3D實(shí)體物件或支架的過程，屬于增材制造技術(shù)的一種[1,3,5]。生物打印技術(shù)可通過設(shè)計(jì)有利于細(xì)胞生長的支架微觀結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)生物活性因子的分布滿足組織再生需求，使其變得越來越有吸引力。打印材料、細(xì)胞和打印設(shè)備/方法是3D生物打印技術(shù)中最重要的三個(gè)因素。

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（F2792），3D打印技術(shù)分為光聚合成型、材料噴射成型、材料擠出成型、粉末床融化、黏結(jié)劑噴射、層壓和直接能量沉積等8種打印技術(shù)[9]。在細(xì)胞活力和可打印性方面，基于光聚合的打印方法相較于其他類型的生物打印方法具有許多優(yōu)勢，如室溫下能夠快速固化、高保真打印以及溫和的反應(yīng)過程。通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)、曝光時(shí)間和照射面積，該打印方法可以方便地控制打印結(jié)構(gòu)和速度[7]。在各種生物打印方法中，有4種方法被廣泛應(yīng)用于光固化生物打印：噴墨打印、擠出式打印、立體光刻印刷和數(shù)字光固化。

生物墨水是生物打印中的打印前體，通常是基于包含細(xì)胞的熱敏或光聚合材料[10]。它作為細(xì)胞載體，能夠確保打印成型中的精確定位、避免打印過程中細(xì)胞機(jī)械損傷和保護(hù)打印后材料形成的有利于細(xì)胞生長的微環(huán)境。在眾多的打印材料中，水凝膠是一類通過化學(xué)鍵或物理力形成的3D網(wǎng)絡(luò)聚合物。它可以在水中膨脹，但不會(huì)溶于水。一些水凝膠顯示出類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的可滲透結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為細(xì)胞增殖提供了優(yōu)越的3D微環(huán)境[11-15]。鑒于這些特性，許多類型的水凝膠都可以應(yīng)用在組織工程的各個(gè)領(lǐng)域。聚合物鏈之間會(huì)發(fā)生兩種交聯(lián)：化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)。不同的交聯(lián)方法對(duì)水凝膠的凝膠動(dòng)力學(xué)以及性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。物理交聯(lián)的水凝膠主要依靠分子間作用力、氫鍵和其他弱相互作用力?；瘜W(xué)交聯(lián)的水凝膠則由共價(jià)鍵形成，相比物理交聯(lián)的水凝膠強(qiáng)度更高[11]。在化學(xué)交聯(lián)方法中，光聚合因其獨(dú)特的性能而備受關(guān)注[16-18]。

光聚合是獲得共價(jià)交聯(lián)水凝膠的一種簡單、干凈且方便的方法。光聚合可以在空間和時(shí)間上有效地控制水凝膠的形成和結(jié)構(gòu)。目前，光聚合主要是用紫外線（UV）來實(shí)現(xiàn)的，但細(xì)胞在暴露期間可能會(huì)受損[19]。相比之下，當(dāng)將紫外線換成可見光時(shí)，水凝膠體系則擁有更高的細(xì)胞相容性和更廣泛的應(yīng)用前景。此外，可見光具有更高的穿透深度，這使得水凝膠的結(jié)構(gòu)更均勻[20]。可見光交聯(lián)水凝膠已在組織工程[21]、3D細(xì)胞封裝[22]和藥物輸送[23]等眾多領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。

在本文中，我們簡要討論了可應(yīng)用于可見光誘導(dǎo)生物打印的3D生物打印技術(shù)及設(shè)備的操作原理和特點(diǎn)（表1 [20,21,24-33]）。然后，系統(tǒng)概述了可見光交聯(lián)生物墨水，包括交聯(lián)機(jī)制和可見光引發(fā)劑，并重點(diǎn)介紹了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)中的應(yīng)用。最后，討論了生物打印和可見光交聯(lián)水凝膠所面臨的挑戰(zhàn)，并且對(duì)發(fā)展前景與發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2. 光誘導(dǎo)3D 生物打印法

2.1. 基于噴墨技術(shù)的生物打印

噴墨打印源于商業(yè)的2D噴墨打印技術(shù)，該技術(shù)將載有細(xì)胞的生物墨水滴落并沉積到預(yù)定區(qū)域，形成預(yù)設(shè)的形狀[34]。從噴嘴噴射到基板上的液滴通常是由熱驅(qū)動(dòng)或壓電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的，如圖1 [24]所示。熱驅(qū)動(dòng)通過加熱元件產(chǎn)生液滴，在2 μs內(nèi)使生物墨水過熱，因此高溫（如300 ℃）不會(huì)影響細(xì)胞活力[9]。壓電驅(qū)動(dòng)可快速調(diào)節(jié)電壓，迫使生物墨水通過壓電材料排出液滴。生物墨水的物理和化學(xué)凝膠過程可以與打印過程同時(shí)發(fā)生，以保證印刷保真度。由于液滴體積?。ㄖ睆綖?0～50 μm）且噴射速度很快（每分鐘高達(dá)10 000個(gè)液滴），所以基于噴墨技術(shù)的打印可確保高打印分辨率（低于50 μm）和較快的打印速度[24]。此外，打印后的細(xì)胞活力可以超過80%。然而，基于噴墨技術(shù)的生物打印的一個(gè)缺點(diǎn)是該技術(shù)僅限于使用低黏度生物墨水，因?yàn)楦唣ざ壬锬鶗?huì)堵塞噴嘴，導(dǎo)致高剪切應(yīng)力[8]。因此，基于噴墨技術(shù)的生物打印在生物墨水的材料和細(xì)胞濃度的選擇方面有限制。此外，構(gòu)造大而復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。Acosta-Vélez等[25]開發(fā)了一種藥物片劑，該藥物可以在30 s內(nèi)在可見光下通過噴墨打印制造出來。使用可見光系統(tǒng)而沒有使用紫外線，是因?yàn)楹笳邥?huì)影響藥物的穩(wěn)定性[25]。

表1 可見光誘導(dǎo)的生物打印方法

圖1. 噴墨生物打印示意圖。經(jīng)Elsevier許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[24]，?2018。

2.2. 基于擠壓技術(shù)的生物打印

基于擠壓技術(shù)的打印是用于制造支架的最常見的增材制造方法之一。擠壓由氣動(dòng)、活塞驅(qū)動(dòng)和螺桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制[35]。與基于噴墨打印的情況不同，擠壓過程的壓力更方便控制，因而生物墨水的黏度可選范圍更廣（30 ～ 6 × 107MPa·s）。也就是說，盡管在活細(xì)胞支持方面受到限制，但該技術(shù)可選的材料更加多樣化[37]。根據(jù)擠壓過程的基本理論，基于擠壓技術(shù)的打印方法主要的缺點(diǎn)是針頭大小導(dǎo)致的分辨率低和打印速度慢。當(dāng)前生物打印應(yīng)用的擠壓式打印技術(shù)的分辨率可以達(dá)到100 μm[9]。當(dāng)將光交聯(lián)生物墨水應(yīng)用于基于擠壓的生物打印時(shí)，光學(xué)設(shè)備位置的設(shè)置至關(guān)重要。光固化過程可以在擠壓之前（預(yù)交聯(lián)）、之后（后交聯(lián)）或過程中（原位交聯(lián)時(shí)）進(jìn)行，如圖2 [38]所示。Ouyang等[38]的研究表明，預(yù)交聯(lián)會(huì)導(dǎo)致擠壓力過高且不一致、結(jié)構(gòu)不均一和細(xì)胞活力低（約47%）。盡管后交聯(lián)可以提高細(xì)胞活力且降低擠壓力，但生物墨水在穩(wěn)定之前就流動(dòng)了，因此無法保持細(xì)絲結(jié)構(gòu)。當(dāng)用透光毛細(xì)管替換針頭時(shí)，水凝膠可以在沉積之前交聯(lián)（用紫外線或可見光進(jìn)行原位交聯(lián)），從而使打印更具高保真度且有相對(duì)較高的細(xì)胞活力（超過95%）[38]。通過調(diào)整水凝膠濃度，在基于擠壓的生物打印中，后交聯(lián)在可見光下能夠?qū)崿F(xiàn)比在紫外線下更高的保真度，并確保高細(xì)胞活力（超過90%）[39]。

2.3. 立體光刻印刷技術(shù)和數(shù)字光固化

立體光刻印刷（SLA）與數(shù)字光固化（DLP）具有相似的成型機(jī)制。

圖2. 三種擠出式生物打印示意圖。經(jīng)Wiley許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[38]，?2017。

SLA是使用數(shù)字微鏡陣列來控制打印區(qū)域每個(gè)像素光強(qiáng)度的打印方法之一[6]。在SLA打印過程中，激光以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式投射到液體感光材料上以形成固化層。在第一層固化后，平臺(tái)會(huì)上升一定高度，之后對(duì)第二層進(jìn)行光交聯(lián)。重復(fù)此操作，直到打印出完整的形狀[圖3（a）]。SLA不需要通過噴嘴擠出，并且比基于擠壓的打印更快、更準(zhǔn)確且具有更高的分辨率（＜ 100 μm）[40]。一般來說，SLA生物打印使用紫外線作為光源。由于紫外線在生物打印過程中會(huì)使細(xì)胞受損，因此該方法具有一定的局限性。Wang等[26]開發(fā)了一種可見光誘導(dǎo)的基于SLA的生物打印法，并將其與基于曙紅Y（EY）的光引發(fā)劑一起使用，以制造聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和甲基丙烯酸明膠（GelMA）的復(fù)合水凝膠。該方法所達(dá)到的分辨率為50 μm，細(xì)胞能夠存活至少5 d，且細(xì)胞活力達(dá)85% [26]。

DLP生物打印類似于基于SLA的打印法，不同之處在于它通過投影儀來固化層圖像而不是以點(diǎn)的形式將光投射到光聚合材料上[41-43] [圖3（b）]。DLP的打印速度高于SLA，尤其是在打印較大的物體時(shí)更為明顯。然而，受限于數(shù)字光鏡的投影面積和分辨率，與SLA相比，DLP的可打印區(qū)域變少了。因此，DLP方法通常只用于打印小的物體。Lim等[39]探索了絲素蛋白（SF）水凝膠的3D DLP打印分辨率。他們?cè)赬方向獲得了66 μm的分辨率，在Z方向獲得了146 μm的分辨率。這表明該方法能夠高精度地打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如埃菲爾鐵塔）[39]。Lim等[39]開發(fā)了一種可見光誘導(dǎo)的DLP系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了50 μm的分辨率和超過90%的細(xì)胞活力[27]。DLP是一種高效的逐層打印法。Kelly等[44]基于DLP方法提出了更新一代的制造方法，通過將光敏聚合物預(yù)聚液在動(dòng)態(tài)演化的光場中旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行光聚合而生成打印結(jié)構(gòu)[圖3（c）]。這種方法可以允許打印更大體積的物體，并且比普通的DLP方法打印速度快幾個(gè)數(shù)量級(jí)[44]。Bernal等[28]使用可見光（405 nm）介導(dǎo)的體積式生物3D打印技術(shù)[圖3（d）]打印厘米級(jí)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如有血管嵌入的復(fù)雜骨小梁結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的半月板結(jié)構(gòu)），且其中包覆的細(xì)胞存活率很高（＞ 85%），打印的整體時(shí)間只需要幾秒到幾十秒[28]。這些方法見表1。

3. 可見光交聯(lián)材料

3.1. 可見光引發(fā)劑

圖3. SLA（a）和DLP（b）生物打印方法示意圖。經(jīng)Elsevier許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[10]，?2012。（c）轉(zhuǎn)軸式立體光刻打印示意圖。經(jīng)Science許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[44]，?2019。（d）轉(zhuǎn)軸式生物3D打印物料平臺(tái)。經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[28]，?2019。

大多數(shù)可見光交聯(lián)的生物墨水都需要光引發(fā)劑來引發(fā)。光引發(fā)劑的類型和暴露于可見光中的持續(xù)時(shí)間會(huì)影響細(xì)胞活力和光引發(fā)效率。因此，選擇可見光引發(fā)劑時(shí)需要考慮吸收光譜、水溶性、產(chǎn)生自由基的能力和穩(wěn)定性。

根據(jù)聚合的活性物質(zhì)，可見光引發(fā)劑可分為自由基光引發(fā)劑和陽離子光引發(fā)劑兩種。然而，陽離子光引發(fā)劑在聚合開始時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子酸，因此不能應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7,16]。由此可知，可見光交聯(lián)水凝膠主要依賴于可見光引發(fā)的自由基聚合。自由基光引發(fā)劑可分為I型光引發(fā)劑（單組分熱解）和II型光引發(fā)劑（光敏劑/共引發(fā)光引發(fā)劑）[45]。I型光引發(fā)劑吸收入射光子，并在光作用下可以裂解為兩個(gè)自由基。然而，在可見光區(qū)域內(nèi)可選的I型光引發(fā)劑較少，通常使用苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸鋰（LAP）作為光引發(fā)劑[46]。相比之下，II型光引發(fā)劑有更加多樣化的替代品，它們從共引發(fā)劑中提取氫以生成二級(jí)自由基。目前，釕吡啶絡(luò)合物、EY和樟腦醌（CQ）引起了學(xué)者的關(guān)注并被廣泛應(yīng)用于組織工程。在可見光交聯(lián)水凝膠系統(tǒng)中，引發(fā)劑的細(xì)胞毒性和吸收光譜對(duì)于封裝細(xì)胞尤為重要。常用的可見光引發(fā)劑見表2 [39,46-56]。

表2 可見光引發(fā)劑的類型

CyQuant細(xì)胞增殖直接檢測法（CyQuant direct cell proliferation assay method）表明，隨著LAP濃度的增加，人原發(fā)性腎小管上皮細(xì)胞（hRPTEC）的存活率雖然略有下降，但仍然能滿足生物相容性的標(biāo)準(zhǔn)[51]。Lin等[57]在早期工作中開發(fā)了一種由LAP光引發(fā)劑引發(fā)的GelMA水凝膠，并在其中搭載了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC），在凝膠中該干細(xì)胞具有長期的細(xì)胞活力、增殖能力超過90 d，并且細(xì)胞形態(tài)良好。雖然LAP可以通過吸收近紫外線藍(lán)光（405 nm）的能量而產(chǎn)生自由基，但是用這種產(chǎn)生近紫外線藍(lán)光元件使得生物打印設(shè)備的成本很高，因此這種類型的設(shè)備在成本上并沒有明顯優(yōu)于目前的紫外生物打印系統(tǒng)。這種強(qiáng)烈的近紫外線藍(lán)光對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞有害并會(huì)破壞細(xì)胞生命活動(dòng)的進(jìn)程[51]。CQ、熒光素和核黃素（RF）具有相似的吸收光譜（在400 nm和500 nm之間）[52]。利用甲基丙烯酸乙二醇?xì)ぞ厶牵∕eGC）水凝膠對(duì)這幾種引發(fā)劑進(jìn)行細(xì)胞毒性測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RF引發(fā)的殼聚糖水凝膠機(jī)械強(qiáng)度最高、細(xì)胞毒性最低。此外，膠凝時(shí)間和細(xì)胞呈負(fù)相關(guān)[52]。Donnelly等[54]開發(fā)了一種RF引發(fā)的酪胺取代透明質(zhì)酸（HA-Tyr）水凝膠，并將其覆蓋在TC-28a2軟骨細(xì)胞上，一天后，超過99%的細(xì)胞仍然存活。

在可見光引發(fā)劑中，EY比其他的引發(fā)劑具有更多的優(yōu)勢[2]。EY是高度水溶性的，在大約515 nm處有一個(gè)吸收峰，并且細(xì)胞毒性很低[51]。EY和LAP對(duì)肝祖細(xì)胞HepaRG表現(xiàn)出相似的細(xì)胞相容性。值得注意的是，與LAP相比，在由EY引發(fā)的明膠水凝膠中，肝臟相關(guān)基因的表達(dá)程度相對(duì)更好[58]。Gwon等[59]研究證明，人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞在肝素修飾的透明質(zhì)酸（HA）水凝膠中能夠有效生長和增殖（細(xì)胞活力為95%）。此外，水凝膠可以支持脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞[58]的3D結(jié)構(gòu)舒展以及成脂分化。Kerscher等[60]證明，EY可以在1 min內(nèi)引發(fā)低密度的GelMA水凝膠聚合成膠，并能夠促進(jìn)高效的心肌細(xì)胞分化。在分化的第8天，水凝膠會(huì)自發(fā)性收縮，同時(shí)相關(guān)基因的表達(dá)、凝膠收縮的同步性、頻率、速度都隨時(shí)間而變化[60]。

釕吡啶絡(luò)合物[Ru(II)(bpy)3]2+/硫酸鈉（SPS）系統(tǒng)也顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。[Ru(II)(bpy)3]2+/SPS可緩減聚合過程中氧的抑制作用，從而提高3D生物打印時(shí)垂直方向的保真度[39]。3D生物打印雖然廣泛用于打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水凝膠，但在打印過程中維持垂直方向上的結(jié)構(gòu)和保持水平方向上的精度仍具有挑戰(zhàn)性。一些研究表明，氧氣抑制效應(yīng)直接影響3D生物打印的光固化打印保真度和水凝膠結(jié)構(gòu)。由于氧氣會(huì)影響自由基的存在，自由基會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為過氧化氫自由基，而過氧化氫自由基不能與不飽和鍵發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，過氧化氫自由基會(huì)減少系統(tǒng)中質(zhì)子的數(shù)量，形成氫過氧化物或醇類，使共價(jià)交聯(lián)的形成受阻。這些反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致水凝膠的成型結(jié)構(gòu)不充分，從而影響層與層之間的堆疊和垂直方向的印刷保真度。為了解決這個(gè)問題，Lim等[39]應(yīng)用了[Ru(II)(bpy)3]2+/SPS引發(fā)的可見光3D打印，與I2959引發(fā)的紫外線3D打印相比較，前者減輕了氧氣抑制多孔生物膜構(gòu)建的影響（圖4 [61]），并在21天內(nèi)可以保持85%的細(xì)胞存活率。Al-Abboodi等[55]開發(fā)出一種由[Ru(II)(bpy)3]2+/SPS引發(fā)的明膠-羥基苯丙酸（Gtn-HPA）結(jié)合水凝膠，該水凝膠也顯示出了良好的細(xì)胞存活率（超過85%）。

3.2. 光聚合機(jī)制和凝膠化機(jī)制

光聚合有兩種類型：無光引發(fā)劑聚合和由光敏劑、光引發(fā)劑受光激發(fā)而引起聚合。無光引發(fā)劑聚合由紫外線直接引發(fā)聚合。Farkas等[6]開發(fā)了一種無光引發(fā)劑的3D支架。它是在波長為248 nm或308 nm [6]的光下通過準(zhǔn)分子激光光固化來制造的。該支架相比由光引發(fā)劑引發(fā)制造的支架具有更高的細(xì)胞活力。然而，這種類型的聚合所需的能量高于單體共價(jià)鍵的能量。此外，在可見光范圍內(nèi)滿足這一要求有一定挑戰(zhàn)性。因此，它不太可能應(yīng)用于可見光誘導(dǎo)的聚合領(lǐng)域?？梢姽庀碌木酆闲枰庖l(fā)劑。研究中被廣泛應(yīng)用的三種凝膠化機(jī)制包括自由基鏈?zhǔn)骄酆蠙C(jī)制、硫醇-烯烴“點(diǎn)擊”反應(yīng)機(jī)制和光催化的自由基偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)制。凝膠化機(jī)制的詳細(xì)信息如下所述。

3.2.1. 自由基鏈?zhǔn)骄酆蠙C(jī)制

圖4. 紫外線和可見光聚合的GelMA/膠原蛋白（Col）打印支架的結(jié)構(gòu)差異。Vis：可見光；Ru：[Ru(II)(bpy)3]2+。經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[61]，?2016。

合成化學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步使功能單體和大分子鏈能夠通過各種方法進(jìn)行改造和合成。此外，可以通過自由基聚合（FRP）的方法來生成光交聯(lián)生物墨水。如圖5所示，F(xiàn)RP過程有三個(gè)反應(yīng)階段：鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止[14]。將引發(fā)劑暴露在光下生成自由基后，自由基會(huì)與雙鍵反應(yīng)形成新的自由基。新的自由基進(jìn)一步與單體上的雙鍵發(fā)生反應(yīng)或形成低聚物，并進(jìn)一步進(jìn)行鏈增長直至鏈終止[7]。

由于甲基丙烯酸酯單體的細(xì)胞毒性，適用于FRP的生物墨水是通過向天然或合成的大分子鏈中引入少量的甲基丙烯?；鶊F(tuán)（使用甲基丙烯酸酐[62]、甲基丙烯酸甘油酯[63]或甲基丙烯酰氯[24]）制成的，之后通過選擇合適的光引發(fā)劑來制作水基光交聯(lián)生物墨水。自由基聚合機(jī)制和凝膠化機(jī)制的說明如圖5所示。

3.2.2. 硫醇-烯烴“點(diǎn)擊”反應(yīng)機(jī)制

硫醇-烯烴“點(diǎn)擊”反應(yīng)是一種快速、高度選擇性的通用方法，用于制備可光交聯(lián)的水凝膠。19世紀(jì)中葉，當(dāng)Charles Goodyear發(fā)現(xiàn)天然橡膠（聚順式異戊二烯）的硫化時(shí)，標(biāo)志著經(jīng)典的硫醇化學(xué)出現(xiàn)了。此后，學(xué)界對(duì)巰基/乙烯基聚合的機(jī)理、動(dòng)力學(xué)特征和特性進(jìn)行了廣泛的研究[64,65]。巰基/自由基光聚合的自由基增長機(jī)制與乙烯基自由基鏈的生長機(jī)制不同。此外，巰基單體相當(dāng)于交聯(lián)劑[65]。巰基-烯烴反應(yīng)不受空氣中氧抑制的影響，可快速實(shí)現(xiàn)光聚合[66,67]。因此，光引發(fā)劑的使用量較少。此外，形成的硫醚鍵可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。

引發(fā)劑活化后，從巰基中提取質(zhì)子形成硫基自由基。之后，硫基自由基與乙烯基鍵發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)會(huì)形成硫醚鍵和碳中心自由基，它們可以生成另一個(gè)硫基自由基。巰基-烯烴反應(yīng)會(huì)持續(xù)至可反應(yīng)部分耗盡為止[64]。與富含電子的乙烯基單體（如降冰片烯[68]、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯或共軛雙烯[13,39]）的反應(yīng)涉及乙烯基單體的均聚反應(yīng)以及巰基和乙烯基之間的共聚反應(yīng)[65]（圖6）。

圖5. 自由基聚合機(jī)制和凝膠化機(jī)制。hv：光子能。

圖6. 硫醇-烯烴“點(diǎn)擊”反應(yīng)機(jī)制。hv：光子能。

3.2.3. 光催化的自由基偶聯(lián)反應(yīng)

這類反應(yīng)通常需要含酚羥基化合物的參與，如酪胺。此外，釕[Ru(II)]和EY常被用作該反應(yīng)的可見光引發(fā)劑。不同的光引發(fā)劑在反應(yīng)中有不同的引發(fā)機(jī)理。[Ru(II)(bpy)3]2+在可見光下被光氧化成[Ru(III)(bpy)3]3+。然后，活化的Ru(III)從酚羥基中吸引一個(gè)電子。這就生成了一種可以進(jìn)攻多種其他基團(tuán)的自由基[69]，如圖7（b）所示。然而，基態(tài)EY吸收光子后轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃貞B(tài)（1EO），之后通過系統(tǒng)間的交叉轉(zhuǎn)換為長壽命的三重態(tài)（3EO*）。能量在氧氣存在時(shí)用于形成單態(tài)氧（1O2）[70]。然后，單態(tài)氧與酚羥基反應(yīng)生成維持交聯(lián)的自由基，如圖7（c）所示。實(shí)現(xiàn)這一反應(yīng)的常用策略是用含有酚羥基的分子修飾聚合物。Sakai等[33]通過用酪胺修飾海藻酸鹽成功地開發(fā)了一種生物墨水。這種墨水在普通臺(tái)燈的照射下，10 s內(nèi)就能完成凝膠化[33]。

3.3. 可見光交聯(lián)的材料

光聚合材料主要分為天然衍生材料和合成材料。讓材料具有光聚合能力最常見的方法是用含有雙鍵的化合物，如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯、共軛二烯和酪胺修飾特定的側(cè)基或端基。常見的光聚合材料類型及改性方法見表3 [23,27,33,46,51,55,71-85]。

3.3.1. 天然衍生材料

細(xì)胞周圍由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多種功能性大分子組成，稱作細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）。天然材料來源于有機(jī)體中的多糖和蛋白質(zhì)。明膠、膠原蛋白等天然材料大多具有優(yōu)越的細(xì)胞響應(yīng)性和細(xì)胞黏附性，并可在體內(nèi)降解。此外，天然材料價(jià)格低廉且可再生，但存在降解速率高、凈化工藝復(fù)雜、機(jī)械性能差等缺點(diǎn)。

圖7. 光催化的自由基偶聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理。（a）釕的引發(fā)機(jī)理；（b）EY的引發(fā)機(jī)理；（c）光催化的自由基偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理。

明膠是一種從動(dòng)物組織中分離出來的動(dòng)物蛋白，通過膠原蛋白的熱變性制備而成[6,85]，其中膠原蛋白是含有18種氨基酸的多肽的多相聚集[86]?？紤]到明膠的結(jié)構(gòu)，明膠具有功能單體改性的潛力，并且不會(huì)顯著降低其細(xì)胞相容性。Lin等[85]介紹了可降解的明膠水凝膠包裹的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，它們具有持久的活力、增殖能力（超過90 d）和良好的完整性。2000年，Van Den Bulcke等[87]首先開發(fā)了可光聚合的明膠甲基丙烯酰衍生物GelMA，并申請(qǐng)了專利。該衍生物由（羥基）-賴氨酸和鳥氨酸側(cè)鏈上的伯胺與甲基丙烯酸酐反應(yīng)得到[47,48]。在低溫下（＜ 25 ℃），GelMA預(yù)聚液可以在鏈之間形成氫鍵從而增加溶液的黏度。這有助于達(dá)到3D打印擠出工藝的黏度需求。GelMA作為一種獨(dú)立材料或通過與其他材料復(fù)合共同交聯(lián)形成水凝膠，在生物打印領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。除了GelMA外，還開發(fā)了幾種類似修飾方法的可光交聯(lián)明膠衍生物。Mazaki等[71]開發(fā)了一種呋喃胺共軛明膠，它可以通過可見光交聯(lián)，同時(shí)又可以在體外支持骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的軟骨分化進(jìn)程[71]。

殼聚糖是一種多糖，由自然界中廣泛存在的幾丁質(zhì)（蝦殼、蟹殼等）經(jīng)過脫乙酰作用得到，化學(xué)名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-β-D-葡萄糖[75]。由于其具有抗菌活性，殼聚糖已被美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)用于醫(yī)用傷口敷料。就其化學(xué)性質(zhì)而言，氫鍵的存在會(huì)降低殼聚糖在水中的溶解度[88]。殼聚糖中豐富的基團(tuán)，如酰胺基，為修飾局部性質(zhì)提供了許多機(jī)會(huì)。殼聚糖可與甲基丙烯酸酐或甲基丙烯酸甘油酯反應(yīng)，形成可光聚合的殼聚糖衍生物。這種衍生物可用于制備生物活性載體[23,75]和生物墨水[89]。

透明質(zhì)酸是一種由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺結(jié)構(gòu)單元組成的天然糖胺多糖[90,91]。透明質(zhì)酸通常以陰離子形式存在，廣泛分布于結(jié)締組織、上皮組織和神經(jīng)組織。透明質(zhì)酸的每個(gè)單體都有活性基團(tuán)修飾位點(diǎn)[92]。因此，研究人員對(duì)現(xiàn)有合成透明質(zhì)酸大分子單體衍生物，如甲基丙烯酰透明質(zhì)酸[38]和降冰片烯功能化透明質(zhì)酸的化學(xué)方法進(jìn)行了改進(jìn)[77]。就其在細(xì)胞外基質(zhì)中的作用而言，透明質(zhì)酸表現(xiàn)出高親水性和細(xì)胞相容性，以支持細(xì)胞增殖、遷移和分化[91]。Gwon等[59]研究表明來自人脂肪的間充質(zhì)干細(xì)胞在肝素修飾的透明質(zhì)酸水凝膠中生長和增殖狀況良好。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，可以觀察到幾種功能標(biāo)記的蛋白的分泌和其協(xié)同作用[82]。Hinton等[93]利用甲基丙烯酸酯化透明質(zhì)酸（MeHA）、膠原蛋白等軟材料，測試了一種基于擠壓的新型生物打印方法（懸浮支撐自由打印法），該方法在生物打印天然材料中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[93]。

絲素蛋白（SF）是一種從蠶絲中提取的不溶性蛋白。SF有三條分子鏈：輕鏈、重鏈和糖蛋白P25。重鏈和輕鏈之間通過二硫鍵連接。此外，它們?cè)倥c糖蛋白P25通過非共價(jià)作用結(jié)合[94]。由于其無毒、免疫原性低、降解率低[95]，SF可用于創(chuàng)面敷料、酶固定化基質(zhì)、血管修復(fù)體和結(jié)構(gòu)種植體[79]。經(jīng)改性后的SF也可應(yīng)用于生物打印。Kim等[79]開發(fā)了一種改性的甲基丙烯酸縮水甘油酯SF生物墨水。它可以構(gòu)建心臟、血管、腦、氣管、耳朵等高度復(fù)雜的器官結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠的生物相容性[79]。

海藻酸鹽是一種陰離子多糖，是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸按（1→4）鍵連接而成的長鏈聚合物[81]。海藻酸鹽具有優(yōu)越的生物相容性、低毒性、低成本和方便凝膠化等特性，適用于生物打印[96]。一般來說，海藻酸鹽的生物打印過程涉及二價(jià)陽離子（Ca2+等）的添加[97]。然而，普通海藻酸鹽水凝膠在體外培養(yǎng)過程中迅速失去這些機(jī)械性能（9天內(nèi)失去約40%）。此外，它們的細(xì)胞黏附位點(diǎn)不足[61]。如果海藻酸單體的羧基與2-氨基乙甲丙烯酸酯（AEMA）反應(yīng)，得到的甲基丙烯酸酯化的海藻酸鈉進(jìn)行光交聯(lián)并改善其機(jī)械性能[80]。降冰片烯功能化海藻酸鹽可在較低濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）下實(shí)現(xiàn)打印，并保持比純離子交聯(lián)打印更穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)[81]。

表3 光聚合材料的特點(diǎn)及應(yīng)用

3.3.2. 合成材料

與天然材料相比，合成材料的生物活性不足，但由于控制了化學(xué)和生物官能團(tuán)[15]，它們的化學(xué)和機(jī)械性能具有可重復(fù)性、穩(wěn)定性和可調(diào)性。

聚乙二醇（PEG），又稱聚環(huán)氧乙烯或聚氧乙烯，是乙二醇的線型合成聚醚，具有親水性。PEG的末端官能團(tuán)及其高度可控的分子量使其末端官能團(tuán)[98]及合成物可以被修飾成四臂[99]或八臂[100]，從而增加了材料的多樣性。PEG應(yīng)用于組織工程的主要優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能可調(diào)、生物相容性、親水性、低細(xì)胞毒性和非免疫原性[101]。由于PEG是不可降解的，對(duì)細(xì)胞沒有足夠的黏附位點(diǎn)，通常與其他材料或多肽混合制成生物墨水。Bal等[102]使用幾種多肽來抑制PEG水凝膠（由EY引發(fā)），以此觀察水凝膠中間充質(zhì)干細(xì)胞和受體的結(jié)合如何影響胰島中胰島素的分泌。

聚乙烯醇（PVA）是一種親水性線性合成乙醇均聚物。大量的側(cè)羥基為生物分子提供了附著位點(diǎn)和修飾的可能。由PVA及其衍生物制備的水凝膠，因化學(xué)性質(zhì)可調(diào)節(jié)而得到了廣泛的應(yīng)用。純PVA水凝膠無法供細(xì)胞長期生長：從第1天到第14天，MSC細(xì)胞活力從87%下降到71%。與GelMA結(jié)合后，第14天時(shí)細(xì)胞活力可達(dá)92% [27]。

3.4. 可見光誘導(dǎo)的3D 生物打印應(yīng)用

3.4.1. 組織工程

3D生物打印主要用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。最終目標(biāo)是制造人造組織替代品，進(jìn)而構(gòu)建人造器官。然而，目前還無法形成一種功能完整的人工組織替代品用于體內(nèi)。因此，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要研究集中在模擬體內(nèi)條件的體外模型。

為了實(shí)現(xiàn)體外模型的制造，研究人員需要高打印分辨率來模擬體外組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Wang等[26]開發(fā)了一種基于SLA的可見光誘導(dǎo)生物打印系統(tǒng)，用EY制備PEGDA和GelMA水凝膠。垂直3D結(jié)構(gòu)的分辨率為50 μm[圖8（a）]，NIH 3T3成纖維細(xì)胞活力為85%且保持了至少5 d [26]。Bertlein等[56]的研究表明，可見光 + [Ru(II)(bpy)3]2+/SPS體系比紫外線 + I2959體系具有更高的保真度[圖8（b）、（c）]和能維持更長時(shí)間的（3周）細(xì)胞活力。Lim等[27]還開發(fā)了一種用于DLP生物打印的載細(xì)胞丙烯酸甲酯聚(乙烯醇)（PVAMA）/明膠甲基丙烯酰氯（GelMA）生物墨水。它能夠以高分辨率（25～50 μm）對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物打印[圖8（d）]。它還能使裝載的細(xì)胞在14d [27]內(nèi)的存活率高達(dá)90%。

除了高分辨率外，打印結(jié)構(gòu)中細(xì)胞增殖、黏附和分化的狀態(tài)也很重要。Wang等[103]也開發(fā)了EY/GelMA水凝膠體系，該體系在打印圖案的第5天形成了3D細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)（這揭示了研究細(xì)胞生長形態(tài)的潛在好處），如圖9（a）所示。Sakai等[33]的研究表明，人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞在酪氨酸化的透明質(zhì)酸/明膠打印結(jié)構(gòu)中裝載25 d后，Nanog、Oct-4和Sox-2基因顯著上調(diào)（是第1天的2～3倍）。這表明人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞保持了多能性[32]。Lim等[27]證實(shí)PVAMA/GelMA水凝膠支持間充質(zhì)干細(xì)胞成骨和成軟骨分化。Ouyang等[38]報(bào)道了將降冰片烯修飾的透明質(zhì)酸水凝膠用于包覆MSC。經(jīng)過56 d的軟骨形成培養(yǎng)后，組織學(xué)分析證實(shí)了被包裹的MSC可以產(chǎn)生糖胺聚糖（GAG）和膠原蛋白[104]。Petta等[48]最近介紹了一種通過酶和可見光交聯(lián)的雙交聯(lián)透明質(zhì)酸生物墨水。在擠壓生物打印過程中，它在低取代條件下表現(xiàn)出柔性剪切細(xì)化性能，而且它保留了主要結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶（human telomerase reverse transcriptase, hTERT）成纖維細(xì)胞得以培養(yǎng)，并恢復(fù)其3D形態(tài)[20]。

制備由不同細(xì)胞和材料組成的多層結(jié)構(gòu)是模擬皮膚結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要求。DLP生物打印可以逐層形成類似于皮膚含有水凝膠的細(xì)胞。Kwak等[105]利用可見光誘導(dǎo)的DLP開發(fā)了SF/PEG復(fù)合水凝膠作為人造皮膚模型。在保持較高的細(xì)胞存活率的同時(shí)，水凝膠表面在6周時(shí)形成致密的角蛋白層，如圖9（b）所示[105]。

心臟是人類最重要的器官之一，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多細(xì)胞的相互作用決定了心臟的功能。為了研究心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在體內(nèi)的相互作用，Kumar等[73]使用呋喃明膠和RF打印含有C2C12成肌細(xì)胞和STO成纖維細(xì)胞的多層薄片。在培養(yǎng)和孵育過程中，不同的細(xì)胞水凝膠層在交界處并沒有分開，而是因細(xì)胞間的相互作用結(jié)合在一起[圖9（c）] [72]。Kumar等[106]也開發(fā)了一種纖維蛋白-明膠生物墨水，用于心肌細(xì)胞和心臟成纖維細(xì)胞的共培養(yǎng)和偶聯(lián)。此外，免疫化學(xué)數(shù)據(jù)顯示，兩種類型的細(xì)胞之間通過Connexin43黏附連接實(shí)現(xiàn)了異細(xì)胞偶聯(lián)，這對(duì)細(xì)胞相互作用至關(guān)重要[106]。

功能齊全的人工器官重建離不開血管化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。生物3D打印技術(shù)是一種構(gòu)建血管結(jié)構(gòu)的有效方法。Sakai等[33]使用[Ru(II)(bpy)3]2+/SPS來聚合經(jīng)過酪胺化修飾的海藻酸鹽生物墨水，成功打印出一個(gè)包含直徑為1 mm的可灌注的光滑螺旋腔的凝膠方塊。這種凝膠方塊也為以后在體外構(gòu)建包含血管網(wǎng)的復(fù)雜3D細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)，如圖9（d）[33]所示。

圖8. （a）可見光誘導(dǎo)立體光刻法制備水凝膠結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[26]，經(jīng)IOP Science許可，?2015。（b）GelMA/Col水凝膠打印的具有連通孔的3D結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[39]，經(jīng)American Chemical Society許可，?2016。（c）不同引發(fā)劑引發(fā)的GelMA/Col水凝膠厚度變化比例。Ru：[Ru(II)(bpy)3]2+。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[39]，經(jīng)American Chemical Society許可，?2016。（d）螺旋二十四面體，展現(xiàn)打印的復(fù)雜程度。*：P ＜ 0.05。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[27]，經(jīng)IOP Science許可，?2019。

3.4.2. 藥物輸送

3D生物打印技術(shù)，特別是基于噴墨打印技術(shù)，已被應(yīng)用于藥物輸送治療。3D生物打印技術(shù)為傳統(tǒng)片劑制造技術(shù)提供了一個(gè)可行的替代方案：根據(jù)基因組和病理生理學(xué)特征定制個(gè)性化劑型。此外，利用生物打印技術(shù)可以方便地設(shè)計(jì)片劑的形狀，從而控制藥物的釋放。如由紫外線交聯(lián)PEGDA和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）制成的藥片，通過3D噴墨打印來控制用于治療高血壓和心力衰竭的卡維地洛的釋放[107]。然而，紫外線會(huì)影響活性藥物成分的穩(wěn)定性?？梢姽庹T導(dǎo)噴墨生物打印是一種更有效的方法。Acosta-Vélez等[29]使用噴墨生物打印技術(shù)研發(fā)了一種含有親水性羅匹尼羅的可見光交聯(lián)降冰片烯修飾透明質(zhì)酸片劑，用于治療帕金森病和不安腿綜合征。在酸性條件下，羅匹尼羅在15 min內(nèi)釋放60%，適用于口服藥物[29]。Acosta-Vélez等[25]開發(fā)了一種含有奈普生的經(jīng)EY引發(fā)的可見光固化的PEGDA片劑，該片劑根據(jù)配方中PEGDA的含量以及固化生物墨水的光照時(shí)間來控制其釋放[25]。

4. 結(jié)論、挑戰(zhàn)和展望

光聚合水凝膠得到了廣泛的研究。本文綜述了可見光固化3D生物打印方法及可見光引發(fā)的光聚合水凝膠的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了引發(fā)劑的類型及其活化機(jī)理，并研究了從自由基聚合到硫醇-烯烴“點(diǎn)擊”反應(yīng)的直接和間接光誘導(dǎo)反應(yīng)。本文還綜述了近年來可見光交聯(lián)水凝膠在組織工程中的幾種常見生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，可見光誘導(dǎo)的3D生物打印體系和相應(yīng)的水凝膠仍具有更多的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

圖9.（a）3D生物打印水凝膠中細(xì)胞微絲網(wǎng)絡(luò)熒光染色圖。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[103]，經(jīng)American Chemical Society許可，?2018。（b）3D打印包載成纖維細(xì)胞的SF/PEG水凝膠表明形成的角蛋白層。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[105]，經(jīng)Elsevier許可，?2019。（c）STO成纖維細(xì)胞與C2C12成肌細(xì)胞共培養(yǎng)界面。MyoD1：肌原性調(diào)節(jié)蛋白。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[94]，經(jīng)Wiley許可，?2019。（d）3D打印水凝膠中空可灌流的螺旋導(dǎo)管結(jié)構(gòu)（直徑為1 mm）。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[33]，經(jīng)American Chemical Society許可，?2018。

在過去的幾年里，3D生物打印技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。由于其發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用多樣性，光固化3D生物打印技術(shù)得到了廣泛的研究和發(fā)展。光固化3D生物打印技術(shù)的發(fā)展趨勢引人注目。生物打印領(lǐng)域的一些共同挑戰(zhàn)必須得到解決。其中包含：①打印設(shè)備，特別是打印分辨率、印刷保真度和微觀結(jié)構(gòu)復(fù)制；②細(xì)胞活力，涉及細(xì)胞營養(yǎng)和供氧；③生物墨水性能，包括物理強(qiáng)度和生物相容性。此外，在可見光誘導(dǎo)的3D生物打印領(lǐng)域，我們還必須解決光聚合速度和打印結(jié)構(gòu)保真度的問題。這些問題可以通過改善光聚合水凝膠的性能來實(shí)現(xiàn)。

可見光交聯(lián)材料比紫外線誘導(dǎo)的光聚合水凝膠具有更好的性能和更高的應(yīng)用潛力。雖然可見光比紫外線的細(xì)胞毒性低，但它也有局限性。普通可見光引發(fā)劑的活化一般需要共引發(fā)劑和共單體的存在。例如，EY活化需要三乙醇胺作為共引發(fā)劑，NVP作為共單體。因?yàn)樗鼈冃枰谙鄬?duì)較高的濃度下進(jìn)行，而且由于共引發(fā)劑的細(xì)胞毒性，它們的應(yīng)用受到了限制。應(yīng)該在不增加細(xì)胞毒性的情況下，通過提高凝膠效率來克服這一缺點(diǎn)。解決這一問題的方法之一是提高光強(qiáng)或減少含有多官能團(tuán)的鏈。成功克服這些問題后，可見光誘導(dǎo)的3D生物打印可以有效地集成到組織工程中。

3D生物打印和組織工程在方法和材料方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展?？梢姽饨宦?lián)水凝膠可以像紫外線交聯(lián)水凝膠一樣快速地進(jìn)行光聚合，從而實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和所需的空間結(jié)構(gòu)。因此，這些水凝膠已經(jīng)成為3D生物打印和組織工程的通用生物材料平臺(tái)。近年來的進(jìn)展賦予了可見光交聯(lián)水凝膠諸多優(yōu)點(diǎn)，如與不同類型細(xì)胞的高細(xì)胞相容性、通過結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)強(qiáng)度和更廉價(jià)的交聯(lián)裝置。此外，可見光生物打印還有許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，如疾病模型和藥物篩選。與在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)相比，生物打印技術(shù)能更方便地在體外觀察細(xì)胞在3D空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)通信行為。水凝膠模擬ECM的組成，可以精確模擬體內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化以及自然組織的功能[78]。此外，光聚合水凝膠在空間布局上的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)整也更加方便?？傮w而言，可見光誘導(dǎo)的生物打印對(duì)未來的組織再生和生物醫(yī)學(xué)工程具有很高的價(jià)值。

致謝

本研究由廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019B010941001）、深圳市工業(yè)和信息化局創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)業(yè)雙鏈項(xiàng)目（201908141541）、深圳市基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目（GJHZ20170314154845576和GJHS20170314161106706）支持。

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Zizhuo Zheng, David Eglin, Mauro Alini, Geoff R.Richards, Ling Qin, and Yuxiao Lai declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.