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擠出與DLP 3D生物打印—比較說(shuō)明

從堅(jiān)硬的骨骼到柔軟的脂肪，從微細(xì)的毛細(xì)血管到整個(gè)大腦，我們的細(xì)胞形成多種組織類型的能力是組織工程學(xué)中最引人入勝最具挑戰(zhàn)性的方面。為了重現(xiàn)人體的復(fù)雜性，組織工程師將不得不利用各種3D生物打印技術(shù)來(lái)替代當(dāng)前的“一刀切”解決方案。這篇文章解釋了CELLINK提供的兩種臺(tái)式三維（3D）生物打印解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)-擠出型生物打印機(jī)BIO X?和INKREDIBLE?，以及輕型DLP光固化生物3D打印機(jī)Lumen X?（由Volumetric技術(shù)驅(qū)動(dòng)），特別是比較每種材料的力學(xué)、分辨率、幾何形狀和材料兼容性。

打印機(jī)制

兩種生物打印技術(shù)均始于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件，該文件被切成離散的水平層，然后由打印機(jī)進(jìn)行構(gòu)建和堆疊以生成3D構(gòu)造。不同之處在于每種方法如何處理這些層次。

對(duì)于基于壓力擠出式的生物打印，更常見(jiàn)的技術(shù)是將糊劑或液體裝入安裝在龍門架或機(jī)械臂上的墨盒中，該墨盒沿打印床或表面上方的笛卡爾坐標(biāo)移動(dòng)，從而在其上進(jìn)行打印。機(jī)械力通常是氣壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的活塞，將材料推過(guò)噴嘴以形成細(xì)絲。通過(guò)在表面上拖動(dòng)細(xì)絲，龍門架跟蹤第一層的輪廓。然后按照用戶的要求，門架繼續(xù)以填充圖案逐層沉積細(xì)絲，以建立孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度，直到完成打印為止。

基于數(shù)字光處理的立體平版印刷術(shù)（基于DLP的SLA）也是逐層過(guò)程，但是代替通過(guò)噴嘴擠出材料，照明源與電影放映機(jī)不同，它使用靜止圖像處理每一層。將此圖像投影到光敏液體的浴液或液滴中會(huì)刺激化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致液體僅在照明時(shí)固化或固化。將這些固化層堆疊在構(gòu)建平臺(tái)上可產(chǎn)生打印對(duì)象。

解析度

在討論打印技術(shù)時(shí)，通常將分辨率或最小的理論上可打印的細(xì)節(jié)進(jìn)行比較，這由許多因素（例如材料和幾何形狀）決定，而這些因素不在本文的討論范圍之內(nèi)。我們的比較集中于沿X和Y軸的平面分辨率。在基于擠出的生物打印中，噴嘴的直徑?jīng)Q定了可以擠出的長(zhǎng)絲的直徑。在基于DLP的SLA中，投影像素的大小定義了可以固化的最小光點(diǎn)。該光點(diǎn)通常小于大多數(shù)擠出噴嘴直徑，并且化學(xué)反應(yīng)更加一致，從而使基于DLP的SLA印刷技術(shù)能夠以比擠出生物印刷更高的分辨率產(chǎn)生更小，更復(fù)雜的物體。細(xì)絲離開(kāi)擠壓式生物打印機(jī)的噴嘴后，除了重力和摩擦力之外，沒(méi)有任何東西可以控制細(xì)絲的放置和散布方式，從而導(dǎo)致沿細(xì)絲邊界的某些變化。即使使用與基于DLP的投影機(jī)的最小光點(diǎn)大小相同的燈絲，在這種可變分布的情況下，擠出的印刷品看起來(lái)也會(huì)比SLA印刷的結(jié)構(gòu)粗糙。

微流體應(yīng)用

由于擠出的印刷品基本上是圓柱狀的堆積物，例如艙室原木，因此長(zhǎng)絲之間的接觸面積很小。當(dāng)這些堆疊的圓柱體本身以類似于血管的管狀形式布置時(shí)，小的接觸面積使得難以確保該管是水密的并且足夠堅(jiān)固以承受流經(jīng)其的流體的壓力。另一方面，基于DLP的SLA則將印刷材料的薄片夾在中間，基本上從一邊到另一邊都是粘在一起的，從而產(chǎn)生明顯更堅(jiān)固，不透水的結(jié)構(gòu)。基于DLP的SLA具有更堅(jiān)固的管子和更光滑的側(cè)面，非常適合生物打印芯片實(shí)驗(yàn)室微流體設(shè)備，尤其是那些具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或需要在顯微鏡下成像且無(wú)畸變的設(shè)備。基于DLP的SLA在打印復(fù)雜的負(fù)面特征（如網(wǎng)絡(luò)）時(shí)的優(yōu)勢(shì)也有助于其打印復(fù)雜的正面特征（如網(wǎng)格）的能力。

控制孔隙率

組織工程支架需要在各個(gè)維度上均具有特定的孔隙率和形狀，以匹配天然組織并允許細(xì)胞存活，但是擠出生物打印機(jī)僅在填充線之間的負(fù)空間內(nèi)即可形成孔隙率。如圖1所示，使用擠壓打印機(jī)打印立方體時(shí)，用戶可以選擇一定百分比的六邊形填充物，然后機(jī)器將在立方體內(nèi)打印垂直對(duì)齊的六邊形。

圖1.?立方體的擠壓3D打印。?A）立方體的CAD模型，B）顯示周長(zhǎng)（黃色）和填充（紅色）路徑的切片圖像，C）擠壓的立方體。

擠出切片機(jī)著眼于對(duì)象的外部邊界時(shí)，基于DLP的SLA切片機(jī)以100％填充的方式在單個(gè)圖像中捕獲層的整個(gè)平面，因此必須在原始模型中創(chuàng)建所需的任何孔隙率。?盡管這可能會(huì)帶來(lái)前期的復(fù)雜性，但許多CAD套件仍可以將格子圖案應(yīng)用于對(duì)象，例如圖2中的立方體。

圖2.?基于DLP的多維數(shù)據(jù)集的3D打印。?A）具有螺旋狀結(jié)構(gòu)的立方體的CAD模型，B）將被投影到感光材料上的切片的圖像，C）印刷的螺旋狀立方體（右）。

組織（如骨骼）在三個(gè)維度上具有孔隙和幾何形狀，因此能夠生成并打印重復(fù)的晶格或隨機(jī)3D結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生更好地模仿生理組織的支架。基于逐絲擠出的方法具有固有的易碎性，使得像圖2中的結(jié)構(gòu)那樣幾乎不可能打印網(wǎng)格。另外，在擠壓結(jié)構(gòu)中，孔隙是垂直存在的，而水平孔隙則出現(xiàn)在層之間，因此是有限的或不存在的。考慮到每種技術(shù)的不同優(yōu)勢(shì)，用戶必須為其設(shè)計(jì)考慮最適合的生物打印方法。雖然擠壓提供了簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)和打印過(guò)程，使其非常適合于訪問(wèn)CAD軟件受限或剛剛起步的實(shí)驗(yàn)室，但基于光的生物打印技術(shù)目前是再現(xiàn)人體最小，最復(fù)雜結(jié)構(gòu)的最佳選擇。但是形狀和大小只是組織工程難題的一部分。

選擇材料

如果器官由一種材料和一種細(xì)胞類型組成，則生物打印器官將容易得多，但是適當(dāng)?shù)刂亟ㄆ鞴僖馕吨东@不同細(xì)胞類型的空間排列。擠壓打印機(jī)可以在龍門架上排列任意數(shù)量的墨盒，從而可以逐個(gè)細(xì)絲地排列材料和細(xì)胞，從而精確地模擬體內(nèi)環(huán)境。相比之下，基于DLP的SLA浴通常是一種材料和一種細(xì)胞類型。已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試來(lái)執(zhí)行多材料SLA打印，其中材料或單元類型的布置無(wú)關(guān)緊要；然而，這些嘗試通常涉及緩慢，重復(fù)的清潔步驟，并且存在洗滌液之間或從一種材料到另一種材料之間交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。擠出不僅可以進(jìn)行多種材料的生物印刷，而且還可以使用多種材料進(jìn)行印刷。

將流體推入藥筒的簡(jiǎn)便性，使組織工程師在擠出液化然后固化的材料之前和之后都具有創(chuàng)造力和靈活性。擠壓材料的幾乎無(wú)限可能解釋了BIO X可用的打印頭的多樣性，使研究人員可以在單張打印中組合多種材料和單元類型。顧名思義，基于光的生物打印技術(shù)（例如在Lumen X中發(fā)現(xiàn)的基于DLP的SLA）使用感光材料和光源來(lái)促進(jìn)固化。感光材料還必須具有足夠低的粘度，以便在打印過(guò)程中構(gòu)建平臺(tái)移入和移出液體時(shí)，液滴可以流入液滴。

從力學(xué)、分辨率、幾何形狀和材料選擇的角度來(lái)看，基于擠壓的SLA生物打印機(jī)和基于DLP的SLA生物打印機(jī)之間存在許多差異。但是每種方法的優(yōu)點(diǎn)使它們?cè)谠S多研究環(huán)境中具有完美的互補(bǔ)性。擠出技術(shù)可以從多種生物墨水調(diào)色板中進(jìn)行多種材料的打印，并提供簡(jiǎn)化的模型設(shè)計(jì)，而基于DLP的SLA則可以在高分辨率下實(shí)現(xiàn)顯著的幾何復(fù)雜性，并且根據(jù)所使用的材料，可以實(shí)現(xiàn)完美的清晰度。研究人員還可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中結(jié)合這兩種技術(shù)。例如，通過(guò)將混合的細(xì)胞從BIO X擠出到在Lumen X上印刷的微流體芯片中。無(wú)論您選擇在工作流程中添加一個(gè)還是兩個(gè)，您都會(huì)發(fā)現(xiàn)CELLINK提供了可靠的，通用的生物打印解決方案。