隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，許多形式的3D打印活組織通常在生物3D打印的一般類別下分組在一起，但是這些方法是變化的，以致于它們中的一些幾乎不相似。生物打印的整個(gè)概念仍然難以包裝，但科學(xué)家們則不斷提出該技術(shù)的新變化。
技術(shù)中的主要不同因素之一是如何創(chuàng)建支架。當(dāng)印刷細(xì)胞發(fā)育和生長(zhǎng)時(shí)，用于給印刷細(xì)胞以結(jié)構(gòu)的支架是生物打印過(guò)程的關(guān)鍵組成部分，并且如何產(chǎn)生支架關(guān)系到成功或失敗。臺(tái)灣的一組研究人員開發(fā)了一種使用稱為冷凍形式的新方法(也稱為低溫沉積制造)來(lái)制造支架。
在題為“Design and Development of a Novel Frozen-Form Additive Manufacturing System for Tissue Engineering Applications”的論文中，研究人員解釋了為什么添加劑制造已經(jīng)成為制造支架的越來(lái)越流行的方法，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)允許科學(xué)家具有精確的控制打印支架的尺寸、形狀和孔隙度，以實(shí)現(xiàn)特定患者的定制化需要。
然而，3D打印組織支架的最常見的方法是SLS、SLA和FDM，每個(gè)都有它們的缺點(diǎn)。研究人員指出，SLS在可以使用的材料方面受到限制，而對(duì)于SLA，樹脂材料中的光引發(fā)劑會(huì)留下殘留物或副產(chǎn)物，其對(duì)嵌入支架中的細(xì)胞具有毒性作用。用FDM技術(shù)制造的支架具有優(yōu)異的機(jī)械性能，但它們需要高溫，并且當(dāng)它們冷卻時(shí)趨于收縮和變形。
“在我們以前的FDM研究中，PLA22和聚乳酸【乙醇酸共聚物(PLGA)】已經(jīng)被用作建筑材料，”研究人員說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)，在FDM工藝之后，PLGA的平均分子量降低到其原始值，約22.4%。這是因?yàn)樵谌廴跀D出過(guò)程中發(fā)生熱水解，這傾向于降低支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。與SLS一樣，就生長(zhǎng)因子而言，F(xiàn)DM的操作溫度對(duì)于生物分子來(lái)說(shuō)是過(guò)高的。因此，將生物分子摻入支架是困難的?！?/p>
為了規(guī)避這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了稱之為“偽FDM”的技術(shù)，也稱為低溫沉積建模(LDM)。
“LDM的原理與FDM的原理相似，除了需要低溫冷卻平臺(tái)，并且材料擠出機(jī)使用的是注射器或螺桿，而不是傳統(tǒng)的擠出機(jī)，”研究人員說(shuō)?！癓DM將溶解在溶劑中的聚合物沉積到低溫冷卻平臺(tái)中。該平臺(tái)的溫度遠(yuǎn)低于溶劑的結(jié)晶溫度(即凝固點(diǎn))。因此，聚合物溶液快速凍結(jié)，并且發(fā)生熱致相分離過(guò)程。在已經(jīng)應(yīng)用并處理冷凍干燥后，提取溶劑，并且聚合物保持支架形狀。”
LDM的優(yōu)點(diǎn)是許多的，使用該技術(shù)制作的支架可以是大孔和微孔的，并且生物分子或生物活性化合物可以在構(gòu)建過(guò)程中摻入。聚合物的分子量幾乎不受該方法的影響，并且該技術(shù)適用于多種合成或天然大分子材料，例如殼聚糖、藻酸鹽、PLA、聚乙醇酸(PGA)，PCL、PLGA和聚氨酯。LDM方法涉及將液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，這就是為什么它被稱為冷凍形式方法(FFM)，或者是冷凍形式的添加劑制造系統(tǒng)(FFAMS)。
對(duì)于FFM過(guò)程中創(chuàng)建低溫環(huán)境有幾種不同的方法，但是它們各自也有它們的缺點(diǎn)。因此，研究團(tuán)隊(duì)決定開發(fā)一種創(chuàng)造低溫環(huán)境的新方法，這將產(chǎn)生一個(gè)緊湊、實(shí)用的FFAM機(jī)器。為此，他們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)使用四個(gè)冷卻板來(lái)形成的外殼或“冷卻區(qū)域”的均勻低溫裝置(UCD)。設(shè)計(jì)成使其能夠在冷卻區(qū)域內(nèi)上下移動(dòng)的工作板，同時(shí)也是放置在內(nèi)部作為可以在其上進(jìn)行沉積材料的構(gòu)造板。在每一層沉積之后，將板降低，使得下一層可以在與前一層完全相同的高度處沉積，從而確保一致的溫度。
UCD只是系統(tǒng)的一個(gè)模塊。材料分配器模塊由氣動(dòng)流體分配器組成，其充當(dāng)擠出機(jī)。研究人員將基于PCL的水性聚氨酯的混合物放入其中，然后他們通過(guò)用材料3D打印支架，在每個(gè)層沉積時(shí)測(cè)量溫度，以及確定用于不同支架形狀的最佳噴嘴直徑和層厚度來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而不是像大多數(shù)FFM方法那樣使用笛卡爾系統(tǒng)，他們使用的是SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊，這可以給他們更多的靈活性。
“在我們的研究中，低溫冷卻區(qū)域被設(shè)計(jì)為適合在一個(gè)小空間內(nèi)，以便足夠的空間使SCARA用于各種類型的工作站，如一個(gè)細(xì)胞播種平臺(tái)，”團(tuán)隊(duì)指出?！耙虼耍現(xiàn)FAMS可以擴(kuò)展為多功能系統(tǒng)或用于生產(chǎn)支架的連續(xù)生產(chǎn)線，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
總體而言，研究人員的研究產(chǎn)生了具有高潛力的柔性支架，用于將來(lái)在組織工程和軟組織修復(fù)中應(yīng)用。雖然研究集中于具有如管和正方形等簡(jiǎn)單形狀的支架的生產(chǎn)，他們打算在未來(lái)繼續(xù)他們的研究，以開發(fā)復(fù)雜的支架模擬生物系統(tǒng)，以及更大、更高的支架，用于創(chuàng)建軟骨組織，如鼻子、耳朵和氣管。
本研究的研究人員包括中央大學(xué)機(jī)械工程系的Chau-Yaug Liao、Wei-Jen Wu和Ching-Shiow Tseng ;國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)高分子科學(xué)與工程研究所Cheng-Tien Hsieh和Shan-hui Hsu ;和國(guó)防醫(yī)學(xué)中心三部總醫(yī)院外科學(xué)部塑料與重建外科司Niann-Tzyy Dai。
