低成本3D打印树脂的细胞毒性与机械性能研究：面向C2C12生物混合执行器的材料筛选与优化

本研究针对生物混合执行器中合成材料与活细胞界面兼容性不足的问题，系统评估了六种商用3D打印树脂（三款刚性/三款弹性）在低成本Phrozen Sonic Mini 8K打印机上的性能。通过细胞毒性测试（C2C12直接培养）和机械特性分析（拉伸/压缩试验结合Hookean/Yeoh模型），揭示了乙醇/紫外与高压灭菌对材料性能的影响规律。该数据集为生物混合机器人领域提供了关键材料选择依据，推动低成本制造技术在再生医学等领域的应用。

　　

在生物混合机器人领域，合成材料与活细胞的界面兼容性一直是制约技术发展的关键瓶颈。传统材料筛选往往忽视实际应用场景中的双重挑战：既要满足细胞培养的生物相容性（biocompatibility）要求，又需在生理环境下保持稳定的机械性能。尤其当采用日益普及的低成本3D打印技术时，打印参数、后处理工艺和灭菌方法对最终产品性能的影响更缺乏系统研究。

针对这一难题，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究团队在《Scientific Data》发表了开创性研究。他们以骨骼肌细胞（C2C12）生物混合执行器为模型，首次系统评估了六种商用树脂（Phrozen AquaGray 8K、Liqcreate Bio-Med Clear等）在低成本Phrozen Sonic Mini 8K打印机上的综合性能。研究创新性地将ISO 10993-5:2009标准与机械特性分析相结合，建立了适用于生物混合系统的材料评价体系。

研究采用三大关键技术方法：1）基于LIVE/DEAD荧光检测的细胞毒性评估；2）模拟生理环境（37°C PBS浸泡16小时）的力学测试；3）结合ASTM标准的材料建模（Hookean模型用于刚性树脂，Yeoh超弹性模型用于弹性体）。特别关注了乙醇/紫外与121°C高压灭菌对性能的影响差异。

细胞毒性分析

通过Calcein-AM/EthD-1荧光比值（CalAM:EthD-1）定量显示：经70%乙醇/UV灭菌的刚性树脂中，Liqcreate Bio-Med Clear表现最优（CalAM:EthD-1=15.2±2.1），接近PDMS对照组（18.3±1.7）；而Phrozen AquaGray 8K则引发显著细胞死亡（4.8±0.9）。弹性树脂中，经特殊清洗剂UNW2处理的3Dresyns Bioflex A10 MB展现出最佳生物相容性。

机械性能表征

研究发现PBS浸泡会使刚性树脂杨氏模量降低80%以上（如Liqcreate Bio-Med Clear从厂商标称2000 MPa降至实测708±50 MPa）。高压灭菌进一步导致Asiga DentaGUIDE压缩模量下降37%。弹性树脂的Yeoh模型参数（C₁, C₂, C₃）则显示Formlabs Silicone 40A在灭菌后仍保持超弹性特征（R²>0.98）。

打印保真度

通过特征尺寸低至25μm的测试模型评估发现，高压灭菌会使最小可打印特征尺寸增大300%，而乙醇灭菌对Phrozen AquaGray 8K的XY分辨率影响最小（保持50μm级特征）。

这项研究的重要意义在于：首次建立了低成本3D打印-灭菌-细胞培养的全流程性能数据库，为生物混合执行器的材料选择提供了量化依据。特别是揭示了PBS浸泡对机械性能的显著影响（这一关键参数常被厂商数据忽略），以及不同灭菌方式对细胞相容性的差异化效应。研究提出的"预浸泡+双灭菌评估"方案，可直接指导医疗设备、组织工程等领域的材料开发流程。数据还证明，通过优化后处理工艺（如UNW2清洗），部分弹性树脂可同时满足ISO 10993标准和机械性能要求，这为下一代可植入式生物混合器件开辟了新可能。