光影魔法：蘆丁納米顆粒如何點亮3D生物打印的未來

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，3D打印技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，從工業(yè)制造到醫(yī)療健康，它都展現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用價值。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，一種名為數(shù)字光處理（DLP）的3D打印技術(shù)，以其高分辨率和高打印速度，成為了組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的重要工具。然而，這項技術(shù)在實現(xiàn)高精度打印的過程中，也面臨著一些挑戰(zhàn)。本文將深入探討DLP 3D打印技術(shù)，以及一種新型的光抑制劑——蘆丁納米顆粒（Rnps），如何幫助我們克服這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)更高效、更精確的生物打印。

DLP 3D打印技術(shù)的核心在于通過逐層投影的方式，將光固化材料精確地打印成所需的三維結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)在生物材料打印中尤為重要，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)生物材料在空間上的精準(zhǔn)排列，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供了新的可能性。然而，DLP打印過程中的光線散射和固化深度控制的不精確，往往會導(dǎo)致自由基反應(yīng)在設(shè)計區(qū)域外發(fā)生，從而影響打印模型的保真度。

為了解決這一問題，研究人員嘗試通過添加光吸收劑來限制光線的分布，提高打印精度。但這種方法存在缺陷，它不僅耗散了激發(fā)光中的能量，導(dǎo)致打印速度下降，而且在充滿細胞的環(huán)境下難以發(fā)揮功能。因此，研究人員開始尋求一種更為全面、高效的策略，不僅要通過光吸收限制光的分布，還要通過與自由基反應(yīng)，將自由基反應(yīng)嚴(yán)格限制在設(shè)計區(qū)域內(nèi)，以進一步提升加工精度。

在這樣的背景下，南開大學(xué)的孔德領(lǐng)教授團隊在國際知名期刊ACS NANO上發(fā)表了一項突破性的研究。他們利用天然黃酮類化合物蘆丁，開發(fā)了一種新型的水溶性光抑制添加劑——蘆丁納米顆粒（Rnps）。這種添加劑不僅能夠進行光吸收過程，還能夠參與自由基反應(yīng)，從而有效抑制散射效應(yīng)，提升打印精度。

研究人員通過簡單的一步自組裝方法，將蘆丁粉末溶解在NaOH溶液中，形成蘆丁鈉鹽（NaR），然后通過調(diào)節(jié)pH值，使蘆丁和NaR發(fā)生分子間自組裝，形成Rnps。這種新型光抑制劑在405nm打印波長光線的吸收能力上與檸檬黃（Tar）相當(dāng)，且在水中表現(xiàn)出良好的自由基清除能力，這為其在光—自由基打印中發(fā)揮有效功能提供了基礎(chǔ)。

為了驗證Rnps在生物墨水中的具體作用，研究人員以5% GelMA為例，測試了不同濃度Rnps的生物墨水的流變特性、力學(xué)性能、穩(wěn)定性和打印速率。實驗結(jié)果顯示，Rnps的加入并不會影響打印支架的機械性能，而且相較于只進行光吸收的Tar，Rnps能夠改善打印的層間均質(zhì)性，抑制打印過程中墨水粘度的提升。此外，加入0.1% Rnps的生物墨水展現(xiàn)出更快的制備速度，這為Rnps在生物打印中的應(yīng)用提供了優(yōu)勢。

在提高打印分辨率和圖案保真度方面，Rnps同樣展現(xiàn)出了卓越的能力。通過打印輻條狀圖案，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著Rnps濃度的增加，保真度得到提高，且0.1% Rnps組獲得的最佳可打印分辨率顯著超過0.1% Tar組。這表明Rnps的光吸收和自由基清除過程有效提高了打印精度和圖案細節(jié)的保真度。

在生物打印中，細胞相容性是至關(guān)重要的。研究人員使用人誘導(dǎo)多能干細胞衍生的內(nèi)皮細胞（hiPSC-ECs）進行細胞種植和載細胞打印，發(fā)現(xiàn)含有0.1% Rnps的生物墨水不僅具有良好的打印精度和速度，還具有出色的細胞兼容性和抗氧化活性。這些特性使得Rnps在細胞修復(fù)和凋亡抵抗力增強方面發(fā)揮了重要作用，賦予了細胞抵抗氧化應(yīng)激和避免凋亡的卓越能力。

此外，Rnps在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造和多材料打印中也展現(xiàn)出了良好的性能。研究人員采用含有Rnps的生物墨水，成功制作了具有TPMS結(jié)構(gòu)的復(fù)雜支架，以及具有連續(xù)梯度材料的金字塔模型和多材料一體化打印的魔方模型。這些結(jié)構(gòu)的成功制備，進一步證明了基于Rnps的打印方法在多種生物醫(yī)學(xué)場景下的應(yīng)用潛力。

總結(jié)來說，本研究開發(fā)的蘆丁基光抑制劑Rnps，通過同時進行光吸收過程和自由基反應(yīng)，有效地減弱了DLP 3D打印中光散射的影響，提升了打印保真度。與Tar相比，含有Rnps的生物墨水在打印速度、層間過曝減少、分辨率提高以及高精度打印區(qū)間擴大等方面均展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。Rnps的細胞相容性和抗氧化活性，使其成為創(chuàng)建多材料和多功能生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的理想工具。這項研究不僅為DLP 3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了新的解決方案，也為組織和器官的復(fù)雜體外重建提供了更多技術(shù)支持，有望加速其從理論模型到臨床轉(zhuǎn)化的發(fā)展進程。