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(lái)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(zhǎng)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(lái)構(gòu)建物體的制造過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)有利于細(xì)胞生長(zhǎng)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(lái)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(guó)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(shì)，如室溫下能夠快速固化、高保真打印以及溫和的反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)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?。簢娔蛴?、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(guò)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(zhǎng)的微環(huán)境。在眾多的打印材料中，水凝膠是一類通過(guò)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(jiǎn)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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]?？梢?jiàn)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(jiǎn)要討論了可應(yīng)用于可見(jiàn)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(jiàn)光交聯(lián)生物墨水，包括交聯(lián)機(jī)制和可見(jiàn)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(jiàn)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(guò)加熱元件產(chǎn)生液滴，在2 μs內(nèi)使生物墨水過(guò)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(guò)壓電材料排出液滴。生物墨水的物理和化學(xué)凝膠過(guò)程可以與打印過(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)了一種藥物片劑，該藥物可以在30 s內(nèi)在可見(jiàn)光下通過(guò)噴墨打印制造出來(lái)。使用可見(jiàn)光系統(tǒng)而沒(méi)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(shuō)，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(guò)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(guò)程可以在擠壓之前（預(yù)交聯(lián)）、之后（后交聯(lián)）或過(guò)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(guò)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(wú)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(jiàn)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(guò)95%）[38]。通過(guò)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(jiàn)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(kāi)發(fā)了一種可見(jiàn)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(guò)投影儀來(lái)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(kāi)發(fā)了一種可見(jiàn)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(guò)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(guò)將光敏聚合物預(yù)聚液在動(dòng)態(tài)演化的光場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)來(lái)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(jiàn)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(jiàn)表1。

3. 可見(jiàn)光交聯(lián)材料

3.1. 可見(jiàn)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(jiàn)光交聯(lián)的生物墨水都需要光引發(fā)劑來(lái)引發(fā)。光引發(fā)劑的類型和暴露于可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光引發(fā)劑可分為自由基光引發(fā)劑和陽(yáng)離子光引發(fā)劑兩種。然而，陽(yáng)離子光引發(fā)劑在聚合開(kāi)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(jiàn)光交聯(lián)水凝膠主要依賴于可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光引發(fā)劑見(jiàn)表2 [39,46-56]。

表2 可見(jiàn)光引發(fā)劑的類型

CyQuant細(xì)胞增殖直接檢測(cè)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(kāi)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(zhǎng)期的細(xì)胞活力、增殖能力超過(guò)90 d，并且細(xì)胞形態(tài)良好。雖然LAP可以通過(guò)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(méi)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(cè)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(kāi)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(guò)99%的細(xì)胞仍然存活。

在可見(jiàn)光引發(fā)劑中，EY比其他的引發(fā)劑具有更多的優(yōu)勢(shì)[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(zhǎng)和增殖（細(xì)胞活力為95%）。此外，水凝膠可以支持脂肪來(lái)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(shì)。[Ru(II)(bpy)3]2+/SPS可緩減聚合過(guò)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(guò)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(guò)氧化氫自由基，而過(guò)氧化氫自由基不能與不飽和鍵發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，過(guò)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(guò)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(wèn)題，Lim等[39]應(yīng)用了[Ru(II)(bpy)3]2+/SPS引發(fā)的可見(jiàn)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(kāi)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(guò)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(wú)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(wú)光引發(fā)劑聚合由紫外線直接引發(fā)聚合。Farkas等[6]開(kāi)發(fā)了一種無(wú)光引發(fā)劑的3D支架。它是在波長(zhǎng)為248 nm或308 nm [6]的光下通過(guò)準(zhǔn)分子激光光固化來(lái)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(jiàn)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(jiàn)光誘導(dǎo)的聚合領(lǐng)域。可見(jiàn)光下的聚合需要光引發(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(jiàn)光聚合的GelMA/膠原蛋白（Col）打印支架的結(jié)構(gòu)差異。Vis：可見(jiàn)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(guò)各種方法進(jìn)行改造和合成。此外，可以通過(guò)自由基聚合（FRP）的方法來(lái)生成光交聯(lián)生物墨水。如圖5所示，F(xiàn)RP過(guò)程有三個(gè)反應(yīng)階段：鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)選擇合適的光引發(fā)劑來(lái)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(shuō)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(zhǎng)機(jī)制與乙烯基自由基鏈的生長(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)系統(tǒng)間的交叉轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)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(guò)用酪胺修飾海藻酸鹽成功地開(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)的光聚合材料類型及改性方法見(jiàn)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(lái)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(lái)的動(dòng)物蛋白，通過(guò)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(guò)90 d）和良好的完整性。2000年，Van Den Bulcke等[87]首先開(kāi)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(niǎo)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(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)了一種呋喃胺共軛明膠，它可以通過(guò)可見(jiàn)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(guò)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(guó)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(lái)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(zhǎng)和增殖狀況良好。在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)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(cè)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(guò)二硫鍵連接。此外，它們?cè)倥c糖蛋白P25通過(guò)非共價(jià)作用結(jié)合[94]。由于其無(wú)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(kāi)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，海藻酸鹽的生物打印過(guò)程涉及二價(jià)陽(yáng)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(guò)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(méi)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(lái)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(wú)法供細(xì)胞長(zhǎng)期生長(zhǎng)：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(jiàn)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(wú)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(lái)模擬體外組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Wang等[26]開(kāi)發(fā)了一種基于SLA的可見(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)時(shí)間的（3周）細(xì)胞活力。Lim等[27]還開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(guò)酶和可見(jiàn)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(guò)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(jiàn)光誘導(dǎo)的DLP開(kāi)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(guò)程中，不同的細(xì)胞水凝膠層在交界處并沒(méi)有分開(kāi)，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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)聚合經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(guò)3D噴墨打印來(lái)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。可見(jiàn)光誘導(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(jiàn)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(kāi)發(fā)了一種含有奈普生的經(jīng)EY引發(fā)的可見(jiàn)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(lái)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(jiàn)光固化3D生物打印方法及可見(jiàn)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(lái)可見(jiàn)光交聯(lián)水凝膠在組織工程中的幾種常見(jiàn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，可見(jiàn)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(guò)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(shì)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(yíng)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(jiàn)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(wèn)題。這些問(wèn)題可以通過(guò)改善光聚合水凝膠的性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

可見(jiàn)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(jiàn)光比紫外線的細(xì)胞毒性低，但它也有局限性。普通可見(jiàn)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(guò)提高凝膠效率來(lái)克服這一缺點(diǎn)。解決這一問(wèn)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(wèn)題后，可見(jiàn)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?jiàn)光交聯(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(lái)的進(jìn)展賦予了可見(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)光誘導(dǎo)的生物打印對(duì)未來(lái)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.