1.引言
过去十年，3D生物打印领域取得了巨大的进步，为组织工程、再生医学乃至器官制造带来了新的机遇。作为一种涉及生物材料精确分层的技术，3D生物打印能够构建模拟天然组织结构和功能的复杂组织结构。然而，这项技术的成功很大程度上取决于所用材料和工艺的兼容性，尤其是在使用含有活细胞的生物墨水时。生物墨水不仅必须具有生物相容性，还必须具备支持组织生长的必要机械性能，同时还要能够进行打印。
3D生物打印领域最有前景的方法之一是光基生物打印，它利用光能将液态生物墨水固化成功能性组织结构。与其他依赖机械力的技术（例如挤出或喷墨生物打印）相比，光基生物打印具有更高的速度和精度。然而，在这些过程中使用紫外光和紫光光源会带来细胞相容性方面的挑战，因为紫外线照射会损伤细胞和DNA，导致细胞存活率降低。
为了克服这一难题，开发能够被更安全的可见光源（例如绿光或红光）激活的新型光引发剂和生物墨水已成为研究的重点。本文探讨了使用生物安全光引发剂进行3D生物打印的最新进展，重点介绍了利用绿光到红光光源进行水凝胶交联和成功封装细胞的方法。我们还将讨论这些进展对组织工程和生物打印技术未来发展的影响。
2.基于光的3D生物打印在组织构建中的作用
3D生物打印已迅速成为构建生物相关结构最令人兴奋且用途最广泛的方法之一。它能够高精度地构建复杂的组织几何结构，使其成为药物测试、个性化医疗以及潜在移植器官构建等领域不可或缺的工具。特别是基于光的3D生物打印，由于其能够利用光快速固化生物墨水，从而实现高速构建精细结构，因此相比其他方法具有诸多优势。
在光基生物打印中，含有细胞和生物材料的光固化生物墨水在受控剂量的光照下发生交联反应。这最终形成稳定的三维水凝胶结构，该结构能够将活细胞包裹在生物相容性基质中。明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）是该领域应用最广泛的材料之一，它是天然明胶的衍生物，可通过光交联形成水凝胶。
虽然基于光的3D生物打印具有诸多独特优势，例如更高的打印分辨率和更强的空间控制能力，但紫外光和紫光的细胞毒性却构成了一项重大挑战。研究表明，紫外光照射会诱导细胞DNA损伤和凋亡，从而降低打印组织构建体的存活率。因此，人们越来越关注开发可见光驱动的生物打印系统，以期在保持相同精度的同时，最大限度地减少细胞损伤。
3.基于紫外光生物打印的挑战
紫外光和紫光因其能够快速高效地交联光敏生物墨水，一直以来都被用于光基3D生物打印。光引发剂，例如TPO-L、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦酸锂(LAP)和Irgacure 2959，通常与紫外光联用，以引发自由基聚合反应，从而快速形成水凝胶。紫外光提供的快速固化时间在需要高精度和复杂几何形状的应用中尤为有利，例如血管结构的构建。
然而，尽管紫外光具有这些优势，但其使用也存在显著的缺点。众所周知，紫外光对活细胞有害，会导致氧化应激、DNA损伤以及其他可能损害细胞活力的有害影响。因此，使用紫外光固化生物墨水打印的组织可能会出现功能性和结构完整性下降的情况，尤其是在再生疗法或组织移植等长期应用中。
为了减轻紫外光的细胞毒性作用，研究人员探索了光固化生物墨水的替代方法。一种很有前景的方法是将生物打印中使用的光波长扩展到可见光（400–780 nm）和近红外光（λ ≥ 780 nm）范围内，这些光对细胞的损伤较小。通过使用这些更温和的光源，可以实现减少细胞损伤的光固化，从而提高打印组织的整体活性和功能。
4.可见光光聚合用于细胞相容性
从紫外光到可见光的生物打印过渡面临诸多挑战，尤其是在开发与可见光兼容的新型光引发剂方面。传统的光引发剂，例如 Irgacure 2959，针对紫外波长进行了优化，在可见光下效果不佳。为了解决这个问题，研究人员开发了多组分光系统，该系统通过 II 型反应机制发挥作用，包含光敏染料和助引发剂分子。这些系统通过促进染料和助引发剂之间的光诱导电子转移 (PET) 过程，实现了在可见光下快速光固化。
可见光光引发剂的最新进展为生物打印开辟了新的可能性，并提高了细胞相容性。例如，Lynn等人成功地将近红外光敏剂（H-Nu 815）应用于数字光处理（DLP）生物打印，实现了高分辨率结构，并将细胞损伤降至最低。类似地，上转换粒子也被用于实现近红外光光固化，为传统的紫外光系统提供了另一种替代方案。
尽管取得了这些进展，可见光光引发剂的研发仍处于起步阶段，许多现有产品细胞相容性欠佳。此外，可见光激活引发剂的种类仍然有限，难以达到与紫外光体系相同的性能水平。因此，迫切需要开发能够在可见光下工作并保持高细胞活性的新型光引发剂。
5.用于绿-红LED交联的新型光引发剂
为了克服现有光引发剂的局限性，研究人员致力于设计新型光引发剂，使其能够被绿光到红光的LED光源激活。绿光和红光均位于可见光谱范围内，与紫外光或紫光相比，它们对细胞的损伤较小，因此非常适合用于活细胞封装等应用。
本研究合成了四种基于花菁染料的光引发剂——CZBIN、TDPABIN、Col-SH-CZ 和 Col-SH-TD，并评估了它们在绿光到红光LED光固化中的应用潜力。这些引发剂在400-600 nm波长范围内具有强吸收，使其适用于绿光和红光光源。其中两种基于胶原蛋白的大分子染料Col-SH-CZ和Col-SH-TD表现出优异的细胞相容性，使其特别适用于细胞负载生物墨水。
当将这些新型光引发剂掺入GelMA水凝胶中时，它们在绿光和红光照射下能够促进高效交联。重要的是，交联过程对细胞活力的影响极小，包埋在水凝胶中的L929细胞在绿光照射后仍能保持90%的存活率。这相比传统的紫外光系统而言是一项显著的改进，后者通常会因紫外光的细胞毒性作用而导致细胞活力降低。
这些新型光引发剂在绿光和红光照射下成功实现细胞封装，凸显了它们在生物打印领域的广泛应用潜力。它们不仅具有更佳的细胞相容性，而且还能更灵活地选择光源，使其成为3D生物打印工具包中的重要补充。
6.应用及未来发展方向
用于绿光到红光LED交联的生物安全光引发剂的开发，为3D生物打印的未来开辟了令人振奋的可能性。这些新型光引发剂通过降低紫外光相关的细胞毒性，能够制造出功能性更强、生物相容性更好的组织结构，可用于从药物测试到个性化组织移植等多种应用。
这些技术最有前景的应用领域之一是再生医学，其中生物打印组织可用于修复或替换受损器官。在此背景下，打印具有高细胞存活率的组织至关重要，因为移植的长期成功取决于打印组织内细胞的健康状况和功能。使用可见光光引发剂还可以促进将更复杂的生物材料整合到生物墨水中，从而进一步增强打印组织的功能。
展望未来，可用于3D生物打印的可见光光引发剂种类有望进一步拓展。研究人员已开始探索利用天然产物，例如姜黄素和黄酮类化合物，作为可见光生物打印的光引发剂。这些源自天然的化合物兼具生物相容性和在蓝绿光范围内强吸光性的双重优势。例如，姜黄素已被证明能够在蓝绿光LED照射下促进自由基聚合，使其成为未来生物墨水的理想候选材料。
此外，染料敏化光引发系统的进步，使得以天然或合成染料作为主要光吸收剂的系统，能够进一步拓展可用波长范围。这些基于光诱导电子转移（PET）机制的系统，在光源选择方面提供了更大的灵活性，并有望实现远红外或近红外光在生物打印中的应用。这对于需要更深层组织穿透的应用尤为有利，因为波长较长的光更不易被生物组织散射和吸收。
另一个极具前景的研究方向是开发混合光引发系统，该系统将可见光光引发剂与其他聚合技术（例如热交联或化学交联）相结合。通过将多种交联机制整合到单一生物墨水中，或许能够更精确地控制打印组织的力学性能和生物相容性。这些混合系统还可以实现多尺度生物打印，从而在单个组织构建体中同时构建微观和宏观结构。
7.结论
3D生物打印代表着组织工程领域的一项革命性进步，有望变革再生医学、个性化医疗和药物测试等领域。然而，生物打印技术的成功在很大程度上取决于生物墨水和光引发剂的开发，这些材料既要具有生物相容性，又要能够高效地构建稳定、功能性的组织结构。特别是基于光的3D生物打印，在精度和速度方面具有显著优势，但其对紫外光和紫光的依赖给细胞相容性带来了严峻挑战。
引入绿光到红光光引发剂（例如本研究中讨论的那些）是克服这些挑战的关键一步。这些新型光引发剂旨在吸收可见光谱范围内的光，能够在活细胞存在的情况下安全高效地交联水凝胶。它们具有良好的细胞相容性，并且在绿光和红光LED照射下表现出优异的性能，为从组织支架到类器官等广泛的生物打印应用提供了令人振奋的前景。
未来该领域的研究应继续探索新型光引发剂，包括天然产物衍生的化合物和结合多种交联机制的混合体系。通过拓展可用波长范围和增强生物墨水的功能，这些创新有望显著推动3D生物打印领域的发展，并使我们更接近实现功能齐全的生物打印组织和器官。
总之，用于3D生物打印中绿-红光交联的生物安全光引发剂的开发，对组织工程而言是一项颠覆性的突破。它兼具双重优势：既能保持细胞的高存活率，又能实现基于光的精确复杂组织结构构建。随着研究的深入和新材料的不断涌现，3D生物打印的未来前景日益光明，有望彻底改变医学，并为组织修复和再生创造前所未有的可能性。
