热发泡和微压电哪个容易堵(关于器官打印，你想知道的都在这里「上」)

Posted 2023-06-02

篇首语：赋料扬雄敌，诗看子建亲。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了热发泡和微压电哪个容易堵(关于器官打印，你想知道的都在这里「上」)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

热发泡和微压电哪个容易堵(关于器官打印，你想知道的都在这里「上」)

您知道吗？生物3D打印领域2019年共发表论文544篇，是十年前的20倍，并有2篇Science主刊文章。这一领域已经逐渐成为研究主流。来自荷兰马斯特里赫特大学的Loorenzo Moroni教授和Carlos Mota教授在顶尖综述期刊Chemical Reviews（IF=54.301）发表文章Bioprinting: From Tissue and Organ Development to in Vitro Models，系统地介绍了生物3D打印的工艺、材料以及器官打印，真正的一文看懂生物3D打印领域及其在器官打印方面的应用现状。

关于生物3D打印

近几十年来，随着组织工程与再生医学的发展，我们不断探寻可以用于器官移植和替代的新型治疗方法。

生物3D打印将生物单元（细胞/蛋白质/DNA等）和生物材料按仿生形态学，生物结构或生物体功能，细胞特定微环境等要求用“3D打印”的技术手段制造出具有个性化的体外三维结构模型或体外三维生物功能结构体。这项技术是可以应用于器官移植的重要方法，所以本文首先介绍生物3D打印的工艺技术和常用生物材料（生物墨水）。所有器官都来源于三种胚层：外胚层、内胚层和中胚层，本文也将以此为线索梳理生物3D打印在这些胚层对应的主要器官的最新应用，特别是皮肤、神经系统、软骨、骨骼、血管、心脏、肾脏、肝脏、胰腺、腺体、角膜和肌肉这些器官。

生物3D打印工艺

生物3D打印是一种增材制造技术（3D打印），允许细胞、生物材料、生长因子或其组合的选择性分布，制造三维活体组织和器官，其特征是具有层次结构特性或智能表面特性，可控制细胞活性和细胞载体生物结构。生物3D打印的流程包含数据获取、三维建模、打印规划、生物3D打印与后期培养分化这几个步骤。

生物3D打印工艺根据打印材料的不同而异，最常用的打印工艺是微挤出式打印工艺，除此以外还有利用热发泡、压电、声波、磁场、光、微流控的打印工艺。

制作生物打印组织和器官样结构所需步骤的示意图

微挤出式打印工艺

微挤出式生物3D打印通常会配备有放置打印材料的料仓，然后通过施加压力，将材料以细丝的形式通过针头或喷嘴喷出。料仓可以是一个或多个，可分配不同的细胞和生物材料组合，进行多材料复合打印。此工艺可以是气压驱动或电机驱动，电机驱动由于其体积驱动的特点，所以精度更高，对于高低黏度材料的兼容性更好，且不需要额外的气泵设备。决定打印分辨率的因素主要包括材料类型、挤出压力、喷嘴直径和沉积速度等。喷嘴直径的大小会影响剪切应力，喷嘴直径减小时，剪切应力增大，细胞活性降低。所以在保证细胞存活率的同时，往往牺牲的是打印分辨率。此工艺的打印精度大约为200μm。

热发泡打印工艺

热发泡打印工艺是最早被应用在生物3D打印领域的工艺，其基本原理类似于办公用的喷墨打印机，墨盒中的墨水被替换为细胞和生物材料。在这种微滴式的打印技术中，可加热的元件蒸发附近材料形成气泡，气泡在毛细管道中突然膨胀，促使材料液滴形成和排出。这种打印工艺缺点较多，高温会影响细胞活力，且可打印材料粘度范围有限，当材料中含有细胞时，还会导致喷嘴堵塞。优点是分辨率较高，可以达到100μm。

压电打印工艺

压电打印工艺中使用的压电材料在电刺激下会改变形状或尺寸，通过形变使材料以液滴形式喷射极小体积材料（纳升或皮升），与热发泡生物3D打印类似，但不需要高温所以不会影响细胞活力。这种生物3D打印技术通常用于制造高通量微阵列和类似的筛选平台，最近也可用于打印胶质细胞和视网膜神经节细胞。类似的高通量打印技术还有电磁制动器喷射工艺，也可用于生物3D打印。

压电打印与热发泡打印对比

声波打印工艺

声波打印工艺是少数几种非接触式打印技术之一，即声波作用于液体以打印包裹少量细胞的液滴（皮升级）。声波或声镊被用来在特定条件下准确地排列细胞，甚至可以精准罗列细胞。声波生物打印的优点是可精确控制细胞的位置，但是在三维结构制作中的应用还尚未实现；缺点是运动速度相对较慢，想要达到组织级的细胞量，此技术需要进一步打磨，和这种工艺相关的应用尚在探索之中。

磁场打印工艺

磁场打印工艺是通过添加磁性纳米颗粒的细胞或顺磁流体，利用永磁铁或比特电磁生成磁场来控制细胞或细胞团簇的阵列，用于打印含细胞的三维结构或者甚至是单细胞阵列制造。虽然此种工艺相关的研究还不算多，但是为生物3D打印领域提供了一种创新的思路，不仅仅在于打印过程的新方法，对于打印后处理也提供了新思路，包括利用磁场来控制干细胞分化路径的可能性。

光固化打印工艺

光固化打印工艺的源头技术始于立体光刻（SLA），可被细分为激光系统和光源系统。激光系统是通过激光照射诱导光敏材料逐点选择性交联（SLA技术原理），激光系统的打印工艺可以是另一种非接触式打印技术，可避免通常在其他工艺中出现的剪切应力对于细胞的影响问题；而光源系统（例如DLP工艺），是使用动态反射镜阵列，选择性地将光投射到区域中，打印时以面为单位交联每一层的所有点。

这几年技术不断革新，2019年研究者开发计算轴向光刻（CAL）方法，通过多角度的曝光图像叠加，使材料能够从模型的内部逐渐向外部固化，实现了“凭空”立体结构构建，已有研究利用这种技术在1分钟之内实现含细胞的三维结构打印。2018年，研究者还研发出了另一种基于激光的打印工艺：激光诱导正向转移技术（LIFT）。双光子聚合（2PP）打印工艺是另一种利用光学进行生物3D打印的技术，该技术可通过选择性照射三维像素实现高精度的交联，不过也由于其高精度的打印效果打印时间较长。

在生物3D打印应用最广泛的是通过微挤出式打印与LED光源复合的打印工艺。（了解更多：还在打印GelMA？快来解锁光固化打印新姿势）

计算轴向光刻

微流控打印工艺

微流控技术能精确控制流体流动以确保层流状态，在减少所需试剂量的同时，高精度地研究细胞环境，可以在高度确定和受控的条件下培养细胞和生物材料。微流控打印工艺是将微流控芯片与微挤出式工艺结合使用，其优点主要是技术成熟，且不同打印头的开发非常简单，可以对与细胞结合的低粘度材料进行精确打印，但对于材料黏度有苛刻的要求。

生物墨水

与生物3D打印技术发展息息相关的是生物墨水，根据打印技术和打印的组织器官要选择合适的可打印的生物墨水。最新的打印技术“FRESH”以及“SLATE”都用到了悬浮打印（了解更多：只能打印心脏？悬浮支撑墨水SUNP FLOAT带你“打印万物”），这拓宽了柔性生物墨水的应用，在2019年SCIENCE杂志突破性的复杂器官心脏以及肺打印，都离不开悬浮胶的支持。在这里作者总结了常用的来源于自然以及合成的生物墨水，主要分为热塑性聚合物、水凝胶、光敏材料和复合材料，并对它们的现状和前景做了预判。

热塑性聚合物

主要包括PCL、PLA、PLGA、PEO/PBT、PU,以及TPU，这些材料主要用在微挤出式或者选择性激光烧结（SLS）打印技术中，主要制作一定硬度的热塑性支架，比如骨、某些器官等。在打印过程中这些材料要经过熔化，挤出，然后凝固成形，这些材料制作出的支架生物相容性好、可降解，有利于组织的恢复和再生。但受限于于材料的温度要求，目前主要仅限于聚(酯)、聚(脲)和基于这些的各种共聚物。目前基于热塑性聚合物的研究主要集中于两个方面：①优化现有市售聚合物、共混物的打印性能；②开发新型热塑性材料，如聚(酯酰胺)。（获取更多灵感：原创干货 | 一文看懂生物3D打印技术如何构建强度高、生物相容性好的组织支架）

水凝胶

主要包括pluronic、PVA、NIPAM、HA、dECM、gelatin、agarosen、anocellulose，主要用在微挤出式、微滴打印以及DLP打印技术中，具有很好的柔软以及水合性能，且很多种类是细胞基质的成分，非常适合细胞培养以及含细胞打印。也是由于柔软性，会导致打印的3D结构的不稳以及变形。随着Ca2+和光固化交联技术的出现，水凝胶3D结构的稳定性得到增强，保存时间也相应的延长。Ca2+交联主要用于海藻酸盐类，光固化交联技术主要用于GelMa、PEGDA等。水凝胶生物墨水一开始只有琼脂糖或胶原蛋白，目前已经增添了很多种类，包括来源于自然的以及合成的。这些生物墨水都有自己的优势和特点，也有短板。像天然高分子类，如海藻酸盐、壳聚糖透明质酸、明胶等，有很好的可打印性，但改性有限。合成的水凝胶生物墨水，如聚乙二醇，有优秀的化学和机械修饰性，但是需要优化可打印性。近来对天然高分子材料进行的化学修饰，弥补了其改性的短板，打破了天然和合成的界限。目前凝胶类生物墨水朝着多功能化发展，通常由合成、天然、改性材料组合，这样可以消除个别材料的劣势。此外，水凝胶生物墨水的交联和生物功能化也得到了新的发展，如硫醇-烯、超分子、光响应、动态共价、化学修饰等都被用来创造新的水凝胶材料。

光敏材料

这类生物墨水材料通常应用在光固化打印技术中，需要紫外光或蓝光交联，在3D打印中应用广泛，常用到的生物墨水材料是甲基丙烯酸化的明胶GelMA和聚乙二醇PEGMA，涉及到热固性材料以及水凝胶材料。这类材料也得到了相应的发展，扩大了光固化的范围，如硫醇烯树脂、聚氨基甲酸酯丙烯酸酯、聚（富马酸丙二醇酯）树脂等等。目前，考虑到紫外光的毒性和致突变性，可见光的交联得到发展，如曙红Y以及钌氧化还原光引发剂利用低能量可见光交联构建3D结构，可见光的交联是未来树脂类构建3D结构的趋势。（了解更多：还在打印GelMA？快来解锁光固化打印新姿势）

复合材料

是将聚合物生物墨水和颗粒增强物结合起来，以提高3D打印结构的机械强度或者功能，一般用在微挤出式、立体平板印刷（SLA）、数字激光成型（DLP）打印技术中，常用的颗粒增强物主要是羟基磷灰石和磷酸三钙，在打印骨支架中较常见。目前，颗粒增强物的种类已经增加了很多，主要是氧化石墨烯、碳纳米管、纳米纤维素、氧化铁纳米颗粒、银纳米颗粒等，这扩大了其应用范围，涉及固体聚合物和水凝胶生物墨水。（获取更多灵感：硬核技术| 低温沉积生物3D打印：一项滴水成冰的秘技）

总之，现在生物墨水主要朝着两个方向发展，其一是：材料的复杂化和仿生，主要体现在材料的修饰、复合开发以及交联方式的多样化。比如对现有水凝胶材料的引入新的材料配方，如硫醇-烯、超分子、动态共价等修饰，以改进凝胶墨水的可打印性，生物墨水也趋于复合化，采用两种以上的材料复合后，可避免单个材料的劣势，采用其长；此外交联方式也得到发展，除了修饰基团的增加外，所用光引发剂也从紫外向无害可见光转变。另外一个方向是：具备刺激反应性和动态变化，称为4D打印，所打印的结构体会随着时间以及外界刺激改变，外界刺激主要包括酶活性、温度、pH值以及磁场。这两个方向还需要很多工作去做，由此产生生物墨水的种类以及设计的数量将会很大。

细胞来源和选择

3D打印所采用的细胞系多数是市售的，主要来自人和动物，这类细胞培养和传代都有标准化流程。而原代细胞的获取则需要从动物器官和组织分离，但这比较复杂，一方面是操作步骤复杂，分离出细胞种类多，需要进一步分离纯化。另一方面是分离的细胞在体外扩增可能导致表型丢失。多能干细胞（PSCs），来源于胚胎，具有无限的自我更新能力和可塑性，可分化为各种细胞，适用于多种组织再生和器官替换，但会有伦理道德的影响。人为产生的诱导性多能干细胞（iPSCs）由于不受伦理道德的限制是一个很好的替代者，已经建立了很多方法使诱导性多能干细胞分化为特定的细胞，如心肌细胞、胰岛细胞、肾祖细胞、神经祖细胞以及其它细胞。但分化成特定细胞所需要的培养基以及细胞因子价格昂贵。在打印类器官结构体中，需要多种特定细胞，此外支架不能阻碍细胞因子的扩散，以阻挡特定细胞的分化。在体外分化成特定的细胞，扩大培养足够的数量，然后在打印进类器官结构体是一个可取的选择。目前，用诱导性多能干细胞（iPSCs）分化的细胞打印组织或器官已经开始被发表报道。

小结

本篇综述的前半部分主要介绍了生物3D打印主流的概念、技术工艺、生物材料（墨水）以及细胞的来源等，接下来的章节会逐一介绍各个器官打印的进展，包括皮肤、神经系统、软骨、骨骼、血管、心脏、肾脏、肝脏、胰腺、腺体、角膜和肌肉等器官，请各位敬请期待我们接下来的连载。

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关于生物3D打印

生物3D打印工艺

微挤出式打印工艺

热发泡打印工艺

压电打印工艺

压电打印与热发泡打印对比

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