探索 3D 打印如何彻底改变细胞培养装置的制作：实例、工作流程和注意事项

自 1907 年 Ross Granville Harrison 成功在体外培育出神经母细胞以来，细胞培养研究极大地推动了医学进步。尽管如此，在上个世纪的大部分时间里，相关基础技术和工艺在很大程度上仍未发生变化。

然而，近年来，细胞培养研究领域的进步带来了所谓的“文化”复兴。立体光固化 (SLA) 3D 打印是实现此次突破的技术之一。3D 打印也称为增材制造技术，有助于细胞培养研究步入新时代，在降低开发成本和时间的同时，实现更精确、更逼真的细胞培养实验，并为更多新颖复杂的几何形状提供了新机遇。

本文将首先介绍什么是细胞培养、传统的研究方式以及 3D 打印技术如何改变这一行业。您可以了解：

• 目前的主要细胞培养设备类型。
• 3D 打印为细胞培养装置制作带来的多重好处。
• 3D 打印细胞培养装置的简单分步流程。

在最基本的层面上，细胞培养是指从动物或植物中取出细胞，并在严格控制的体外或人工环境中培养细胞的技术。细胞可以直接从组织中取出，或通过酶或机械过程分离，也可以从已经建立的细胞系或细胞株中提取。细胞培养的基本要求包括原代细胞、繁殖场所、提供相关营养物质的生长培养基和适宜的环境。

细胞培养的主要目标是开发新药或进行生物系统研究。预计到 2027 年，细胞培养产业将市值 450 亿美元。

细胞培养的应用广泛而多样，有助于新药或新疗法的开发，对现代医疗保健产生了重大的积极影响。如下表所示，细胞培养应用可大致分为临床和实验两类。

在细胞培养技术、工具和专利市场中，一些著名的领先企业包括默克公司、赛默飞世尔科技公司和 Irvine Scientific。

下文列出了科学家用于培养细胞的通用设备：

• 通风柜：用于保持无污染的洁净无菌环境。通风柜还能抽除空气中的有害物质。
• 培养箱：细胞在培养箱中生长，用于控制二氧化碳、氧气和温度，使细胞繁殖达到最佳状态。温度通常保持在 37°C。
• 水浴：温水浴用于加热试剂，使其在添加到培养液后不会对细胞造成热冲击。水浴的另一种替代方法是金属珠浴。
• 离心机：离心机用于将细胞沉淀并与任何试剂分离。
• 冰箱：冰箱用于储存闲置试剂。它还可用于储存冷冻细胞，以供日后使用。
• 血球计：便于计算活细胞和死细胞的数量。血球计需手动使用，而细胞计数机可以实现计数过程的自动化。
• 显微镜：显微镜用于检查培养物，确保其按预期进行繁殖。
• 细胞培养瓶：用于在繁殖过程中放置细胞培养物。还可以使用培养皿。
• 生长培养基：生长培养基为细胞提供相关的营养物质，以支持其繁殖。不同类型的细胞需要使用不同的生长培养基。
• 试剂：用于细胞培养的试剂有很多种。试剂用于分离贴壁细胞，也用于对烧瓶或培养皿进行消毒。
• 吸量管：吸量管用于将相关试剂、细胞和生长培养基注入细胞培养瓶中。
• 废物箱：细胞培养实验中使用的所有一次性设备都必须安全处置，放入有标记的废物箱中。

3D 打印，特别是 SLA 打印，具有许多不同的优点，并对制作细胞培养设备产生了影响。本节将介绍一些较为成熟的应用，并强调 3D 打印带来的具体好处。

• 快速原型制造：3D 打印可以根据实际测试和分析结果对设计、尺寸、形状或装配进行多次迭代，从而快速获得成果。这意味着可以并行生产和测试多个设计，从而更快地找到最佳解决方案。3D 打印为研究人员提供了当天制造原型的能力，以及并行评估多种设计版本的灵活性。
• 设计自由：3D 打印，尤其是 SLA 打印的最大优势之一，就是能够制造复杂的几何形状和设计，而这是以前传统制造设计无法实现的。现在，研究人员可以根据自己的应用自由设计具有更复杂、更有机的几何形状和配置的实验。尽情想象，一切皆可能打印。
• 人体模拟：虽然在技术上与设计自由同属一类，但创建人体模拟的自由不容小觑。从微流控技术和“器官芯片”到无支架 3D 细胞培养，3D 打印都可以制造出复杂的细胞培养装置，更准确地表现人体生理。
• 内部制造：细胞培养实验室可自行设计和制造组件，无需依赖外部供应商。在医疗保健行业，内部制造最终用途设备愈发普遍，无论是病人专用设备还是增强供应链，内部制造部件的能力都能带来更大的灵活性和自主性。
• 低成本：对于中小批量的部件，3D 打印细胞培养装置的成本明显低于注射成型、CNC 加工技术和光刻等传统制造技术。

• 材料多样性：3D 打印材料的数量正在迅速增加，为研究人员提供了更多的选择，包括生物相容性和可灭菌材料。3D 打印还支持用户开发自定义材料，满足个性化需求。Formlabs Medical 已投入巨资自行开发了生物相容性树脂系列，专为医疗保健专业人士设计，可满足他们对医用级材料的需求，适用于各种注重机械性能和生物相容性的应用。我们的 BioMed 树脂家族材料是在经 ISO 13485 认证的工厂中开发和制造的，并且支持使用常见的消毒和灭菌方法。本文将在后续章节中再次讨论这一话题。 

在细胞培养领域中，有五种核心应用经常采用 3D 打印：细胞支架、微流控、生物反应器、标本采集装置和实验室器具。在本节中，我们将探讨这些应用在引入 3D 打印后各自获得的好处。

为了在有机体外环境中重现复杂三维结构，细胞需要支撑结构，即支架。在实验室设置中，这些支架由多孔生物相容性聚合物制成。SLA 3D 打印可用于制作用于支架聚合物的模具。

要制作用于 3D 细胞培养的支架模型，首先研究人员要确定预期形状，并 3D 打印出相应的阴模。然后用阴模铸造硅胶模具，用来成型支架聚合物。如下所示，此多通道血管模型的制造过程与 3D 打印母模、硅胶模型和最终用途聚合物产品类似。

微流控技术是一种以亚毫米比例创建精确预测性模型的技术，可模拟体内环境中的复杂生物系统，而不会破坏其固有的生物相互作用。因为可以模拟各种器官的基本功能，这些微流控检测设备也称为“器官芯片”。例如，“肺部芯片”可以复制血流、气流以及肺细胞所经历的运动。如此一来，研究人员就可以在逼真环境中对器官组织进行实验，而不必使用动物模型。

光刻、CNC 加工和注射等传统制造技术可用于制造微流控芯片。然而，这些技术往往成本高昂，耗费时间；它们还通常局限于简单的无机几何形状。

3D 打印可以在很短的时间内以极低的成本生产出微流控芯片，同时还可以根据要求生产出复杂的几何形状。在 3D 打印的微流控设备中，可以以微米级精度控制和改变通道的粗糙度和流体混合的位置。这种控制程度使研究人员能够测试更多的流体路径配置，然后在同一天进行测试。
与微流控技术很相似，毫流控技术也是制造相同的设备，但流体通道的比例为毫米级。毫流控的制造难度较低，应用范围广泛。以下是利用 3D 打印生产毫流体和微流控的几种方式：

• 封闭通道：在这种情况下，直接将内部通道打印到流体设备中。虽然这可以成功实现，但需要考虑一些设计因素。例如，垂直定向内部通道通常更容易打印成功，而终止于流体设备内部的通道在后处理过程中很难进行充分清洗。
• 开放通道：相对于打印封闭通道，开放通道更简单，即在流体芯片表面打印通道，之后将其夹在 PDMS 等其他材料之间。其主要考虑因素是确保打印件平整，避免在打印和/或后处理过程中出现翘曲。
• 通道模具：这种方法不是直接在打印件上打印开放或封闭通道，而是将凸出特征打印到打印件表面，随后用作流体设备的模具。

有关 3D 打印微流控、毫流控和芯片实验室的更多信息，请访问 Formlabs 博客。

生物反应器用于维持细胞有效繁殖所需的所有环境条件。这些条件包括 pH 值、气体供应、温度和生长培养基。生物反应器只需有限的人力投入就能维持所有这些参数。3D 打印可实现自定义生物反应器，并专门针对单个实验进行了优化。该示例是一种灌注系统设计，可将脂肪生成干细胞接种到骨替代支架中。设计并打印了多个不同的反应器配置，以研究不同的生物反应器配置。

美国缅因州的 Puritan 医疗产品公司和意大利的 Copan Diagnostics 公司是鼻咽拭子的两大供应商，但随着新冠病毒在 2020 年席卷全球，这两家公司的鼻咽拭子无法满足需求。南佛罗里达大学莫萨尼医学院的创新者们转而使用 3D 打印，帮助填补由此产生的供应链缺口。

他们与 Northwell Health 和 Formlabs 公司联合设计了首款批量生产的 3D 打印样本采集拭子。使用半刚性生物相容性树脂在 Form 3B 中打印拭子。迄今为止，已有六十多个不同国家的 4000 多万个新冠病毒检测拭子由 3D 打印制成。

为了让人们了解 3D 打印带来的影响，2023 年初，USF Health、Northwell Health 和 Formlabs 获得了美国专利商标局颁发的“人道主义专利奖”。随着 3D 打印生物相容性材料的出现，越来越多的医疗专业人员直接通过 3D 打印制作样本采集设备。这些可能是容器，也可能是棉签。新冠病毒拭子的 3D 打印非常成功，美国专利商标局在 2023 年将“人道主义专利”授予南佛罗里达大学公共健康学院、Northwell Health、坦帕综合医院和 Formlabs。

除了复杂的微流控和生物反应器，3D 打印还可用于解决细胞培养实验室中更多普通但重要的难题。其中的一个示例就是修改传统微孔板设计，以包括不同的挡板几何形状。定制挡板历来都属于非常昂贵且耗时的制造过程。然而，随着 3D 打印技术的普及和价格的降低，定制实验室器具项目的难度大大减小。下图所示为标准微孔板与定制微孔板的对比。

在开发可 3D 打印的细胞培养装置时，有几种最佳方法可供选择，如果遵循这些方法，就能获得最佳效果。让我们深入了解 3D 打印和细胞培养的最佳实践。

在设计任何细胞培养装置时，必须了解 DFM（可制造性设计）的原理，以便降低部件成本和复杂性。对于使用 SLA 打印机制造的部件，以下一般规则可以制造出优质部件：

可在任何 CAD 软件中设计部件。然后，可将此 CAD 模型保存为 OBJ 或 STL 文件格式，导入 Formlabs 3D 打印准备软件 PreForm。PreForm 可免费下载，能自动为部件生成支撑结构并确定最佳打印方向。

打印准备软件或切片软件会将模型切分为许多不同的打印层。每一层基本上都是投射到构建板上的部件横截面图像。必须选择部件的定向，以确保树脂能从部件中流出，同时还能优化支撑位置，减少整体打印时间。值得庆幸的是，PreForm 等程序带有自动算法，可设置打印布局、定向和支撑，因此无需专业培训，您团队中的任何人都可以顺利进行打印。

必须注意的是，许多树脂都具有细胞毒性，即会破坏细胞。这是由于打印材料中可能存在各种增塑剂、光引发剂和其他浸出的化学物质。有些材料通过了生物相容性认证，因此，务必使用这些材料来确保部件本身不会对细胞培养产生负面影响。材料还需要耐受高达 120°C 的温度，才能进行蒸汽消毒。Formlabs 树脂已通过以下生物相容性标准的评估：

• ISO 10993-1:2018：《医疗器械生物安全性评估－第 1 部分：风险管理过程中的评估和测试》

• ISO 7405:2009/(R)2015：《牙科学－牙科医疗器械生物相容性评估》

• ISO 18562-1:2017：《医用呼吸气体通道的生物相容性评估－第 1 部分：风险管理过程中的评估和测试》

如果没有生物相容性材料或不需要生物相容性材料，聚对二甲苯等专用涂层经证明可在细胞和部件之间提供有效屏障。如果用于微流控，光学清晰度对于光学显微镜必不可少。有光学透明、生物相容性和耐高温树脂可供选择。

Formlabs 提供的生物相容性材料库不断扩大，已覆盖 SLS 和 SLA 打印应用。适用 SLA 打印机系列的材料包括：

• BioMed White Resin：一款白色不透明材料，适合需要长期接触皮肤或短期接触黏膜的生物相容性应用。 

• BioMed Black Resin：一款黑色哑光质地材料，适用于需要较高视觉对比度、出色分辨率和光滑表面的应用。

• BioMed Amber Resin：一种刚性材料，适合需要长期接触局部皮肤或短期接触黏膜的生物相容性应用。

• BioMed Clear Resin：一种硬质透明材料，同样通过了 ISO 18562 标准验证，可用于医疗保健领域的气体通路应用。

完成细胞培养组件设计并选择最佳材料后，即可开始打印。所用机器类型会影响最终部件的质量，从而影响实验质量。层高可达到 50 微米的打印机是打印先进细胞培养设备的理想选择。举例来说，Form 3B+ 可以以 100 或 50 微米层高进行打印，使打印机可以在高精细细胞培养设备和不需要高精细度的任何其他医疗打印件类型之间切换。

3D 打印过程在很大程度上已实现自动化，仅在打印机提示某种打印机错误时才需要检查确认。SLA 3D 打印以其低失败率而著称。部件完成后，即可小心将部件从构建板上移除。

部件完成后，必须经过以下几个后处理步骤：

1. 移除支撑：第一步是用锋利的侧切剪去除支撑。切口越靠近部件越好，以便减少后续打磨工作。
2. 清洗和后固化：支撑移除后，必须用异丙醇清洗部件，以清除未固化的树脂。部件干燥后，可进行紫外线后固化。由于固化前部件还比较脆弱，清洗过程中必须小心谨慎，确保不破坏脆弱特征。可以使用装有异丙醇的注射器将清洁液注入打印件的内部通道。
3. 打磨：打磨作为关键步骤，不仅能改善部件外观，还能提高光学器件的清晰度。从 3000 细度的砂纸开始，仔细打磨部件，并以 200 为单位递增，直到达到所需的后处理效果或砂纸细度达到 12000。此外，还可使用透明喷涂涂层提高光学器件的清晰度，而无需进行大量打磨。不过，在使用喷涂涂料时务必小心，因为它们可能具有细胞毒性。
4. 灭菌：在处理细胞培养装置时，必须对部件进行灭菌，以避免产生细胞毒性环境。通常在 120°C 下用蒸汽灭菌 20 分钟，同时保持两巴的压力来完成。

Formlabs 提供世界一流的 3D 打印机和材料，可以为任何细胞培养实验室提供助力。Formlabs 的打印机和材料已成功应用于许多不同的细胞培养领域。如需了解更多有关 Formlabs 如何帮助您在细胞培养领域进行研发的信息，请联系我们的代表。