Advanced Materials | 用于生物医学应用的 Xolography 技术：水凝胶的双色光片打印，对形状和刚度进行局部控制

组织工程的当前挑战包括创建细胞外环境，利用生化、机械和结构线索支持细胞并与细胞相互作用。由于缺乏合适的制造技术，目前对这些线索的空间控制受到限制。本研究介绍了 Xolography，一种新兴的双色光片体积打印技术，可在几分钟内完成打印，同时实现对微到宏观尺度上基于水凝胶的光刻胶的结构和机械特征的控制。提出了一种水溶性光开关光引发剂系统和一种用于 Xolography 的天然衍生、合成和热响应水凝胶库。在控制机械性能（压缩模量 0.2 kPa–6.5 MPa）的情况下制造了具有 20 μm 正特征和 ≈100 μm 负特征的厘米级 3D 结构。值得注意的是，从二进制光投影切换到灰度光投影可以实现对刚度 （0.2–16 kPa） 的空间控制。作为概念验证，灰度 Xolography 与热响应水凝胶结合使用，以引入超出等距收缩的可逆各向异性形状变化。最终证明了活细胞聚集体的 Xolography，为在快速的一步过程中打印动态的、具有可调结构和机械线索的动态、细胞指导环境奠定了基础。总体而言，这些创新为Xolography在多个生物医学应用中开启了独特的可能性。

该研究以题为“From Thin Films to Nanodots: Bottom-Up Integration of Fe3O4 on Nb:STO for Functional Oxide Nanostructures”发表在Advanced Materials上。

图1

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Xolography中通过正交光束引发局部光聚合的示意原理（A=螺吡喃，B=部花青，C=自由基）及推动水凝胶制造技术发展的步骤：(1)可打印水凝胶体系的配方开发，(2)工艺优化，(3)打印样品的表征，(4)组织工程应用展示：生物打印与4D水凝胶打印。

图2

适配水溶性光引发体系的特点。A) 亲水性DCPI的模块化化学结构及反应示意图。A−B+代表离子基团，其中阳离子或阴离子可与DCPI结构共价连接。B) 亲水性DCPI在黑暗中的吸收光谱及375 nm光照下的差示光谱（n=1）。C) 所用共引发剂的化学结构及其酸碱平衡状态。D) DCPI的热弛豫特性（基于浓度为800×10−3 m的共引发剂，n=1）。

图3

采用Xolography技术对水凝胶可加工性的系统研究，以及与先进丙烯酸酯树脂相比打印速度和紫外线强度对打印部件特征分辨率及机械刚度的影响。A–D）基于（E）中所示几何形状的打印结果，所研究材料配方的加工窗口。E–H）针对分辨率进行打印优化的结果图像。I–L）压缩测试及代表性应力-应变曲线，并附预载下打印样本的照片。M–P）在所研究参数范围内可达到刚度的预测。样本数n=1（A–H），n=3，双向方差分析（p<0.05）（I–P），调整后R²=63.1%（N），调整后R²=81.1%（O），调整后R²=76.2%（P）。

图4

Xolography展示了在单次打印中一步实现局部刚度调节的潜力。A) 传统二元投影与调整后灰度投影的原理示意图及试样简化示意图。B) 用于压缩测试的灰度投影掩模及打印圆柱体。C) RGB=255（左侧）与RGB=190（右侧）打印件的代表性应力-应变曲线，n=1。D) 不同RGB值打印件的压缩刚度及投影仪实际对应强度，n=1（RGB=255时n=6，显示均值±标准差）。E) 含不同RGB值分区的灰度标识。F) 两个区域的纳米压痕测试。G) 测试区域的赫兹杨氏模量，n=5，双尾Mann-Whitney U检验，p≤0.008，显示均值±标准误。H) 微观尺度上含不同RGB值分区的灰度标识。I) 明场显微镜下打印文字的局部放大图（上：20倍物镜，下：2.5倍物镜）。J) (I)图标注区域的赫兹杨氏模量分布图，n=1。K) 宽度600µm的连续梯度结构。L) 梯度结构特定位置的纳米压痕测试，n=1。M) 梯度结构的刚度值及对应灰度百分比，估算梯度为20 Pa·µm−1，n=3，显示均值±标准差。所有样品打印速度=5 mm·min−1。

图5

热响应性复杂三维结构的四维制造，其形状变化超越等距收缩。A) 基于NIPAAm水凝胶四维打印的二元及灰度化Xolography原理示意图。B) BIS-TRIS浓度对NIPAAm/GelMA水凝胶加工窗口（能量剂量）的影响。C) 基于优化光敏树脂配方的复杂螺旋二十四面体结构及其热收缩行为。D) 热循环对NIPAAm/GelMA水凝胶尺寸的影响（n=3，均值）。E,F) NIPAAm/GelMA水凝胶热循环后的收缩能力与塑性（n=3，均值±标准差）。G) 通过灰度化Xolography获得的Janus水凝胶梁的热响应弯曲。

总结

在组织工程领域，如何快速制造兼具微米级结构精度和可控力学性能的水凝胶支架一直是研究热点。近日，一项发表于《Advanced Materials》的研究展示了Xolography双色光片体积打印技术的巨大潜力。这种技术通过正交的双色光束引发局部光聚合，能够在数分钟内完成厘米级尺寸水凝胶构造的打印。研究团队成功开发了水溶性光开关引发体系，并建立了包含天然衍生、合成及温敏性水凝胶的材料库。通过系统工艺优化，他们实现了分辨率达20微米的正向结构和约100微米通道的打印，材料压缩模量可在0.2千帕至6.5兆帕的宽范围内调节。  尤为创新的是，通过引入灰度光投影技术，研究者在单个打印过程中实现了材料刚度的空间控制，形成0.2至16千帕的连续刚度梯度。基于温敏性水凝胶，团队进一步展示了4D打印能力，通过局部交联度差异实现可逆的各向异性形变。研究首次证明Xolography可用于含细胞 aggregates的生物打印，打印后细胞保持良好活性，并在支架中表现出位置依赖性的行为差异。这项研究为快速制造具有动态响应能力和力学异质性的组织工程支架开辟了新途径。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202410292

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