这篇论文的研究由华盛顿大学的Nathaniel Huebsch及其所在团队完成，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。该研究聚焦于组织工程领域，特别是如何通过新颖的双模具技术来快速复制立体光刻（SLA）3D打印的高分辨率模型，以便于工程化组织的设计和制造。
组织工程的体外模型在生物医学研究中至关重要，而组织的几何形状是决定其功能的关键因素。然而，控制微尺度组织的几何形状仍然是一个挑战。近年来，增材制造技术（如3D打印）被认为是快速和迭代地改变微设备几何形状的有前景的方法。然而，研究表明，立体光刻打印的聚二甲基硅氧烷（PDMS）交联常常在材料界面处受到抑制，这使得直接从3D打印件中铸造PDMS变得困难。虽然已有一些方法被提出用于复制立体光刻3D打印件，但这些方法往往不一致，并且在失败时会导致打印件的损坏。此外，3D打印材料常常会向直接铸造的PDMS中浸出有毒化学物质，这限制了其在生物应用中的使用。
为了解决这些问题，研究团队开发了一种双模具方法，利用水凝胶作为中介模具，将高分辨率的3D打印特征转移到PDMS中。这种方法灵感来源于失蜡铸造，水凝胶的机械性能（如交联密度）能够预测复制的精度。研究表明，该方法能够复制多种形状，这些形状是传统光刻技术无法实现的。通过这种方法，研究人员成功地将3D打印的特征复制到PDMS中，而不需要直接铸造，这样可以避免材料在脱模时的破裂。此外，该方法还显著减少了有毒材料从原始3D打印件转移到PDMS复制品的可能性，从而增强了其在生物应用中的适用性。
在实验中，研究团队使用了两种不同类型的水凝胶——琼脂和海藻酸盐，来测试其在复制PDMS中的有效性。结果显示，这些水凝胶能够有效地支持PDMS的交联，且不受3D打印材料中未反应单体和光引发剂的影响。通过优化水凝胶的配方，研究人员能够在不同的几何形状中实现高保真度的复制，尤其是在复杂的微结构中。研究还发现，水凝胶的交联密度和压缩韧性与复制的精度密切相关，这为未来的研究提供了重要的参考。
值得注意的是，研究团队还使用了Nanoscribe设备进行高分辨率的3D打印，这种设备能够实现比标准单光子立体光刻打印机更小的打印分辨率。通过Nanoscribe打印的模型，研究人员能够在微米级别上实现复杂的几何形状，并利用HASTE方法将这些高分辨率的特征复制到PDMS中。这一过程不仅提高了复制的精度，还扩展了可用于工程组织的设计范围。
此外，研究还探讨了3D打印材料的潜在毒性问题。以往的研究表明，直接从3D打印件铸造的PDMS可能会吸附未反应的有毒化学物质，影响细胞的生存和功能。通过HASTE方法，研究人员能够有效地减少这些有毒物质的转移，确保最终的PDMS复制品在生物相容性方面的优越性。研究团队利用这种方法成功地创建了由人诱导的多能干细胞（hiPSC）衍生的微心肌组织，展示了其在生物医学应用中的潜力。
总的来说，这项研究不仅为组织工程领域提供了一种新的制造方法，还为未来的研究奠定了基础。HASTE方法的成功应用将促进对组织几何形状对细胞行为影响的深入理解，并为开发更复杂的生物模型提供了可能。随着技术的不断进步，预计这种方法将在生物医学研究和临床应用中发挥越来越重要的作用。
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https://doi.org/10.1021/acsami.3c02279