微納生物3D打印，解決高精度水凝膠制備難題

在生物科技前沿，中國科研團隊和企業正以顛覆性創新，不斷突破科學與產業的邊界。從體內精準可視化的微小人工血管，到實現靶向給藥的微型機器人，再到成功應用于臨床的先進仿生關節——這些突破性成果，正在重新定義生物制造的可能性。

在這場重塑生命科學的洪流中，微納3D打印技術正在構筑生物制造新奇跡。作為創新的制造范式，它兼具顯著優勢：高效構建復雜仿生結構、極大減少材料消耗、靈活適配小批量生產需求，在效率和成本上實現雙重突破。

技術的產業化浪潮中，一批優秀的中國精密制造企業迅速崛起。重慶摩方精密科技股份有限公司專注于高精度微納3D打印裝備及解決方案，正助力全球頂尖科研機構與工業巨頭跨越精密制造的鴻溝。

01交叉融合，破解生物材料精度困局

·水凝膠微球，破解血管“堵車”難題

血栓閉塞性脈管炎（TAO）是一種以血管炎癥和血栓形成為特征的慢性外周血管疾病，多發于吸煙的年輕男性。該病從四肢遠端小血管缺血起病，表現為疼痛、發涼等癥狀，隨著血管閉塞向近端發展，可引發潰瘍、壞疽甚至截肢。當前治療以戒煙為核心，輔以藥物改善循環或手術重建血管，但存在復發率高、預后差等局限。近年,間充質干細胞（MSCs）療法展現出潛力，其通過分泌抗炎和促血管生成因子改善血流與組織修復。然而，缺血微環境中的高活性氧水平會降低干細胞存活率，且肌肉注射易引發免疫排斥，從而導致細胞流失，所以需反復給藥。因此，開發一種能保護干細胞免受氧化損傷并增強駐留的新型遞送平臺，是突破治療瓶頸的關鍵研究方向。

針對以上問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所陳航榕、馬明團隊開發了一個協同治療平臺——負載氧化鈰納米顆粒（CeNPs）的甲基丙烯酸明膠（GelMA）的水凝膠微球（CeGel），用于MSCs的遞送以治療TAO。團隊設計出具有銳針結構（內徑200 μm）的微流控芯片，并利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10 μm）制作了芯片主體。微通道的幾何結構對液體的流動動力學和液滴的生成有著重要影響。該銳針結構可顯著增強分散相和連續相之間的界面剪切力，從而實現單分散液滴的穩定生成。隨后通過沉淀法制備具有高效活性氧清除能力的CeNPs，繼而通過微流控技術將CeNPs與MSCs共包封于GelMA中，構建了復合水凝膠微球MSCs@CeGel。

圖. MSCs@CeGel的制備、表征和治療機制。

上述研究提出了一種將微環境調控和干細胞移植相結合的協同策略，為治療TAO及其他潛在的相關疾病提供了新的思路。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202408748

·新型光散射抑制機制助力高保真光固化生物3D打印

光固化生物3D打印技術（如：數字光處理，DLP）可精確控制細胞和生物材料在空間中的分布，以此構建復雜幾何結構，被廣泛應用于組織工程、藥物篩選、外科植入物等生物醫學研究領域。然而，在DLP打印過程中，光在固液兩相界面會產生物理散射，細胞的混入會加劇此種散射效應，導致水凝膠在非目標區域固化，降低了打印精度，使眾多生物性能優異且具有小尺度特征（如血管網絡和薄壁結構等）的復雜結構難以成型，限制了DLP打印技術在生物醫學領域的應用。針對這一挑戰，湖南大學機械與運載工程學院韓曉筱教授等提出了一種光吸收與自由基反應協同作用的光散射抑制新機制，并基于此機制開發了一種新型光抑制劑（Curcumin-Na，Cur-Na），降低了載細胞水凝膠光固化打印過程中的光散射效應，將打印精度提高到1.2-2.1像素點，幾何誤差低于5%，成功制造了各種具有多尺度通道和薄壁網絡結構的生物活性功能支架。此外，該方法具有較寬的打印參數窗口，極大地縮短了參數優化過程。

水凝膠生物墨水中傳統的光吸收劑能夠吸收過量的光能量，防止打印層厚過厚，從而在一定程度上提高垂直方向上的打印精度。然而，傳統的光吸收劑難以解決由光散射引起的水平方向上過固化的問題。因此，該研究提出了光吸收與自由基反應協同作用的光抑制機制：保留傳統光吸收劑功能的同時并能“搶奪”水平方向上散射光激發的自由基，抑制散射區域的自由基與水凝膠發生聚合反應，防止非目標區域的固化，從而提高水平方向上的打印精度和保真度。團隊將添加了Cur-Na的生物墨水應用到摩方精密 microArch S140光固化打印機中，成功地制造了各種復雜結構體（仿生支架，可灌注血管網絡，極小三周期曲面等），證明了該光抑制劑在制造具有小尺度特征的功能性載細胞三維支架方面的卓越能力。

圖.Cur-Na在打印生物醫學應用中常用的復雜三維結構時的分辨率和高保真度

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38838-2

·芳綸納米纖維增強的強韌、抗疲勞的可3D打印水凝膠

清華大學航天航空學院李曉雁教授和南方科技大學葛锜副教授團隊向可3D打印水凝膠前驅體溶液中引入芳綸納米纖維（ANF），在紫外光下固化后得到了芳綸納米纖維增強的水凝膠復合材料。與未增強的水凝膠相比，僅引入0.3 wt%的芳綸納米纖維，即可使水凝膠的模量提高約30倍，強度、斷裂能和疲勞閾值提高約一個數量級，同時還能夠保持較高的斷裂伸長率。芳綸納米纖維增強的水凝膠復合材料具有較高的打印分辨率（~ 16 μm）和良好的生物相容性，并且在加入電解質后具有導電性，能夠作為生物體內的柔性電子器件進行應用。

團隊成員使用摩方精密公司的microArch S240微立體光刻光固化3D打印設備，制備了具有復雜幾何形狀的點陣結構，其中3×3×3的gyroid和IWP點陣結構的壁厚分別為~350 μm和~330 μm，3×3×3的octet點陣結構的桿徑為~650 μm，同時還制備了人類心臟結構，壁厚范圍為150-300 μm。通過細胞實驗表明，加入芳綸納米纖維后，水凝膠復合材料依然具有良好的生物相容性。與其它基于DLP技術的可3D打印水凝膠相比，芳綸納米纖維增強的水凝膠復合材料展現出優異的力學性能和打印分辨率，改善了可3D打印聚丙烯酰胺水凝膠力學性能弱的不足。

圖.芳綸納米纖維增強的水凝膠復合材料的3D打印、生物相容性和性能對比

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.020

02增長引擎，用中國精度點“水”成金

在精密制造領域，多方合力方能推動顛覆性創新。摩方精密高精度微納生物3D打印系統：nanoArch? S140 BIO，將生物制造精度帶入10微米級別，并成功實現≤5微米的活細胞高精度打印，突破現有生物制造精度極限。

系統為再生醫學與組織工程、藥物研發、基礎科研等提供強大的定制化支持，推動再生醫學從“替代修復”邁向“功能再生”。隨著人口增長和人們對健康方面需求的不斷提高，結合微納3D打印技術的生物制造以其高精度定制化能力，有望在組織功能修復、個體化診療等領域提供精準方案，加速精準醫療與新業態發展，為提升生物制造這一戰略性新興產業的新質生產力注入核心動能。