编辑推荐：
研究人员针对多材料投影式 3D 生物打印（PBBP）难题，开发打印机并建立研究框架，成果助力该技术发展。
多材料投影式 3D 生物打印：突破技术瓶颈，迈向精准生物制造
在生命科学和医学领域，3D 生物打印技术一直备受瞩目。它就像一个神奇的 “生物制造工厂”，能够利用生物材料墨水（bioinks）构建出具有生物活性的 3D 结构，为组织工程和再生医学带来了新的希望。然而，要准确重建自然生物体的复杂结构，目前的技术仍面临诸多挑战。
自然组织和器官的结构极其复杂，往往由多种物理和生化特性不同的组织构成。例如，血管具有多层结构，肝脏则包含数百万个肝小叶。单一材料的生物打印难以模拟这些复杂结构，因此，利用多材料构建空间异质的生物结构成为推动生物打印发展的关键。投影式 3D 打印（PBP）技术因其高分辨率和高效的制造时间比，在生物打印领域极具潜力。但该技术在多材料打印时，面临材料界面控制难题，如墨水交叉污染、粘结强度不足等，且目前缺乏对打印性的系统研究，这严重限制了多材料投影式 3D 生物打印（PBBP）的实际应用。
为了解决这些问题，相关研究人员开展了深入研究。他们开发了一款多功能多材料 3D 打印机，该打印机光学分辨率达 25μm，最多可支持 6 种材料同时打印，并围绕这款设备对多材料 PBBP 的打印性进行了系统研究。研究成果发表在《Research》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。通过流变仪测试水凝胶溶液的光流变特性，利用核磁共振光谱仪测量双键转化率（DBC），采用扫描电子显微镜观察水凝胶的微孔结构，使用万能试验机进行力学性能测试，借助 ANSYS Fluent 软件模拟液体冲洗效率，以及运用自主研发的多材料打印机进行 3D 生物打印实验。
研究人员首先对多材料 PBBP 打印机进行了系统设计。当前基于投影的多材料打印机多由单材料打印机改造而来，存在诸多不足。新开发的打印机配备了专用操作系统、机械监测系统、视觉观察模块等多种功能模块，打印区域设置在标准洁净台中，保证了打印过程的无菌环境。
接着，对多材料 PBP 的复杂性进行了分析。多材料 PBP 可分为层间多材料 3D 打印（Inter - MMP）和层内多材料 3D 打印（Intra - MMP）。Inter - MMP 每层使用单一材料，通过逐层切换材料进行打印，其复杂性相对较低；Intra - MMP 在同一层内使用多种材料，打印过程更为复杂，但能构建更复杂的几何形状和结构，更接近真实生物组织的特征。研究人员分别给出了两者复杂性的计算公式，这有助于理解和评估不同打印方式的难度和效率。
在墨水切换方面，研究人员提出了基于槽切换、流体控制冲洗和负压辅助毛细管吸附的清洗方案，以减少交叉污染。这一方案综合考虑了多种现有墨水切换方法的优缺点，为多材料打印中墨水切换的优化提供了新途径。
多材料生物墨水的聚合特性也是研究重点。以常用的透明质酸甲基丙烯酰（HAMA）和明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶为例，研究发现多组分水凝胶存在 “聚合加速效应”。在多组分墨水体系中，不同光敏基团之间的协同作用使单体分子在初始固化阶段发生更多链增长反应，导致体系平均分子量快速增加，溶液粘度上升，凝胶点（GP）时间缩短。但随着曝光时间延长，多组分墨水与单组分墨水的平均交联步骤（ACS）逐渐趋于一致。
对于材料要求，研究人员针对多材料 3D 生物打印中软硬复合水凝胶的界面粘结强度问题进行了研究。他们提出以断裂能作为评估材料界面粘结行为的关键指标，并建立了多材料打印性标准和打印性曲线。通过对多种生物墨水组合的测试，发现许多材料组合存在界面强度不足的问题，如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）与 GelMA、PEGDA 与 HAMA 等组合，这表明在多材料 3D 打印中，优化材料组合和界面结构至关重要。
为了提高多材料 3D 打印的打印性，研究人员对界面结构进行了设计。通过改变过渡区域（TR）和面积比（AR）来优化界面结构，发现不同材料组合达到可打印窗口所需的 TR 值不同，且增加 TR 和 AR 在一定程度上能提高界面强度，但对伸长率的影响有所差异。
多材料 PBBP 中的交叉污染问题不容忽视。在渗透污染方面，研究发现水凝胶的高含水量和长时间打印易导致渗透污染，低分子密度网络（DMN）水凝胶的渗透污染更为严重，可通过选择合适的材料组合、添加增稠剂或使用大分子矿物染料等方法减少污染。在残留污染方面，研究人员开发了流体控制冲洗方法，并通过计算流体动力学模拟研究了影响冲洗效率的关键参数，提出了负压辅助毛细管吸附干燥方法，有效解决了残留污染和干燥问题。
打印分辨率是衡量 3D 打印能力的关键指标。在多材料 PBBP 中，打印误差主要源于 A、B、C 三种类型的分辨率下降。研究人员设计了标准测试模型，通过对不同墨水组合的测试，发现材料特性和曝光顺序对打印分辨率有显著影响。例如，先曝光高 DMN 水凝胶再曝光低 DMN 水凝胶，会提高 A 类和 C 类分辨率，但对 B 类分辨率不利。
最后，研究人员通过实验展示了 Inter - MMP 和 Intra - MMP 的打印质量。成功制造了多种具有复杂特征的结构和仿生模型，如格子结构、仿生气管模型、3 - 周期性最小表面模型等，这些模型具有清晰的材料界面、高结构保真度和良好的机械性能，证明了多材料 PBBP 在构建复杂生物结构方面的可行性和潜力。
综上所述，该研究系统地探讨了多材料 PBBP 的关键原理和工艺要求，为多材料投影式 3D 生物打印提供了坚实的理论基础和实践指导。然而，目前多材料 PBBP 仍存在一些局限性，如打印时间长影响细胞活力和生物相容性，生物墨水类型的多样性也带来了挑战。未来需要进一步开发创新技术，探索更多的聚合机制和生物墨水配方，以推动多材料 PBBP 技术的广泛应用和发展，为生物制造和再生医学领域带来新的突破。
