基于数字光处理（DLP）技术的3D打印是一种通过光激发，分层固化的3D打印技术，可快速高效地实现复杂结构的精细打印。DLP为无喷嘴打印，在打印过程不会对生物墨水中细胞产生大的剪切力，显著提高了细胞存活率。DLP对生物墨水的自身特性具有较高要求，比如材料的光响应效率、流变学特性以及接枝效率等。传统的生物墨水如GelMA、PEGDA和PNIPAM并不满足DLP要求，壳聚糖（CHI）具有较好的生物相容性及可降解性质，广泛运用于生物医学领域。但是壳聚糖生物墨水固化速度较慢，在打印过程中难以维持框架结构。通过一步法合成能光固化的甲基丙烯酰化壳聚糖（CHI-MA），同时对CHI-HA的综合性质进行评估，是可用于DLP的合适材料。
首先，通过壳聚糖上的氨基与甲基丙烯酸酐反应形成CHI-MA，该壳聚糖的衍生物具备水溶性及紫外交联性质。CHI-MA中加入光引发剂LAP后，在波长为405 nm的蓝光下可快速实现固化，避免紫外光对生物墨水中细胞的损伤。
CHI及CHI-MA的XRD图提示CHI-MA中原本壳聚糖上的大量氢键被破坏（Fig. 2A）。氢核磁共振光谱（1H NMR）及红外光谱（FTIR）结果提示CHI上成功修饰了MA（Fig. 2B, C）。材料的取代度与材料溶解性、交联及力学性能相关。通过分析发现CHI-MA的取代度与加入的MA比例正相关（Fig. 2D）
生物墨水的流变性能及光固化速率是保证其成功打印的前提。研究人员发现在中性溶液中，当CHI-MA的取代度从11.7%增加到33.6%时，其溶解率从7.5增加至32.0 mg/mL（增加了4.26倍）（Fig. 3A）。CHI-MA的固化是通过光聚合作用实现（Fig. 3B），并且固化时间随着CHI-MA的取代度增加而缩短（Fig. 3C）。此外，CHI-MA的取代度也会影响其溶胀性能。该研究发现，当取代度增加时，溶胀率降低，表明高取代度的CHI-MA具备能在更短时间内维持结构稳定的优势（Fig. 3D）。
进一步对CHI-MA的生物相容性进行评估。细胞活死染色结果提示表明不同取代度的CHI-MA对细胞活性及形态均无显著影响（Fig. 5A, B）。此外，MTT结果表明CHI-MA对细胞增殖也无显著影响（Fig. 5C）。DLP过程中，光固化过程产生的自由基会损伤细胞。本研究中，研究人员发现添加LAP光引发剂的情况下，光固化过程对细胞活性无显著影响。而添加I2959光引发剂的情况下，光固化过程显著损伤细胞（Fig. 5D）。
以CHI-MA作为生物墨水基于DLP的3D生物打印。首先用设计出3D结构模型（Fig. 6A）。随后向DLP仪器中加入CHI-MA及LAP的混合物（Fig. 6B）。通过调整程序可改变打印结构的尺寸（Fig. 6C-F）。同时，研究人员对DLP构建的CHI-MA凝胶中细胞活性进行评价，活死染色结果提示细胞在CHI-MA凝胶中培养14天仍有较高活性（Fig. 6G-H）。
通过对其力学性质及生物相容性等进行评估，结果表明该生物墨水可满足DLP打印需求。此外，该生物墨水未来也可用于其他光固化打印技术。
甲基丙烯酰化透明质酸(HAMA)
甲基丙烯酰化硫酸软骨素(CSMA)
甲基丙烯酰化海藻酸纳(ALMA)
甲基丙烯酰化羧甲基壳聚糖(CMCSMA)
甲基丙烯酰化丝素蛋白(FibMA)
甲基丙烯酰化Ⅰ型胶原(Col1MA)
甲基丙烯酰化弹性蛋白(ElaMA)
甲基丙烯酰化肝素(HepMA)
猪源Ⅰ型胶原(ColI)
猪源弹性蛋白(Elastin)
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zzj 2021.2.3