客户成就 |用于细胞支架的任意形状颗粒的流体微纳加工和组装

一种全新的微纳加工概念推动了微流体系统中颗粒的可扩展性和连续加工制造和组装。德国亚琛工业大学的科学家们利用Nanoscribe公司2PP三维打印技术开发并演示了一种新的流动、通道集成、连续生产工艺，用于超小、任意形状的 3D 颗粒制造。打印过程展示了在 72 小时内连续运行制造 150,000 个颗粒。2PP技术所具备的高设计自由度、高形状精度和材料的灵活性允许制造具有不同形状、微米尺寸、亚微米特征和各种材料的颗粒。该研究旨在将这种颗粒组装方法应用于细胞组织工程应用，并扩大了制造自调节、响应性和可渗透 3D支架的范围。

毫米级和微米级颗粒可灵活应用于化学和生化反应器所需的支架上。生物反应器用于固定和分析反应器内部结构表面上的酶、细胞或微生物，其性能的关键是能够调整影响生物反应特性的颗粒的性质。为了拓展这一应用，来自亚琛工业大学RWTH Aachen University和德国亚琛DWI-莱布尼茨互动材料研究所DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials的科学家们提出了一种双光子连续垂直流动光刻的新型微纳加工概念，实现了对具有复杂形状、微米尺寸和亚微米特征的颗粒进行高通量微纳加工，从而使尺寸约为20μm的微粒在表面的相互作用下进行自组装3D支架。在研究中，科学家们还使用各种颗粒形状、尺寸和材料分析了 3D 组件的渗透阻力和堆积密度。 

将3D打印的任何形状颗粒的逐层自组装过程在建筑脚手架上进行可视化想象。颗粒的相互作用及其组装方式取决于颗粒在形状、材料、电荷、柔软度和溶剂润湿性等方面的性质。颗粒的自组装过程取决于颗粒之间的各种效应，且这仍然是一项具有挑战性的任务。

图片来自于德国亚琛工业大学

微粒的流动打印

但是如何在微流体通道内进行微粒的流动打印呢？答案的关键就是双光子聚合（2PP）技术。双光子在xy平面上进行扫描的同时流体树脂流沿z方向连续传输已打印的xy切片。一旦一个颗粒完成，下一个颗粒就会在连续打印过程中以相同的方式进行制作。

使用 Nanoscribe 的 DeScribe 软件和 phyton 脚本调整输出文件，可以对具有复杂几何形状的各种设计进行切片并准备用于流体打印。流体打印过程是连续的，因此可以在数小时内生产数千个颗粒，实现在 72 小时内打印多达 150,000 个颗粒。基于2PP三维打印所特有的极大设计自由度，可以生产任何形状的颗粒。与基材打印相比，颗粒的流动打印具有明显优势，可是实现连续制造一个接一个的颗粒，制造两个颗粒之间无需任何等待时间。在逐层打印时，流动打印方法还绕过了载物台的 z 移动，因为正是流动在 z 方向上传输 xy 切片。因此，流动打印代表了制造小而复杂形状颗粒的速度提高。 

图片展示了2PP流体打印过程。激光在xy平面上进行扫描，而液态树脂沿z方向流动，连续传输已打印的xy切片。该过程在单个颗粒完成后重复。图片来自于德国亚琛工业大学

颗粒组装应用于3D生物混合组织

小于100μm的颗粒在进行自组装后可形成复杂的细胞支架，该支架的反应特性可以在调整颗粒形状、大小、孔隙率和材料特性时做相应调整。这极高的灵活性非常适合用于创造细胞培养和组织工程的支架。调整颗粒几何形状会影响表面体积比，从而定制穿过及围绕结构周围的流体动力学。然而，在运用流动自组装生产支架时，控制颗粒组织过程仍然存在挑战。 

为了研究3D生物混合组织，科学家们研究了小鼠成纤维细胞培养物与使用Nanoscribe无细胞毒性IP-Visio光刻胶进行打印的颗粒物的相互作用，该光刻胶具有低荧光性可以更好的在显微镜下进行细胞分析。经过四天培养后，细胞在与打印支架的相互作用下不断增殖并黏附和渗透支架，并将颗粒相互连接形成了新的组织形态。 

共聚焦显微图展示了流体3D打印具有孔隙的颗粒（红色）作为细胞培养支架。尽管颗粒自组装的这个过程是难以控制的，但是最初迹象还是可见的。有痕迹表明细胞（蓝色）渗入多孔颗粒和肌动蛋白丝（绿色）渗透细胞。图片来自于德国亚琛工业大学

项目团队

RWTH Aachen University – Department of Process Engineering

DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials 

原文文献

Two-Photon Vertical-Flow Lithography for Microtube Synthesis      https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201901356

Fabrication, Flow Assembly, and Permeation of Microscopic Any-Shape Particles https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107508