水凝胶在 3D 打印中的应用

三维 (3D) 生物打印是一项新兴技术，能够制造复杂的仿生组织结构，应用于组织工程、再生医学和药物测试。水凝胶是一种能够吸收大量水的亲水性聚合物网络，由于其生物相容性、可调节的机械性能以及支持细胞粘附、增殖和分化的能力，已成为 3D 生物打印的有前途的生物墨水。

用于 3D 生物打印的水凝胶类型

已经用天然和合成材料开发了多种水凝胶。

天然水凝胶

天然水凝胶源自生物来源，通常具有固有的生物活性和生物相容性，使其适合3D生物打印应用。天然水凝胶的例子包括海藻酸盐、壳聚糖、明胶、透明质酸和纤维蛋白。这些水凝胶可以进行改性，以提高其可印刷性、机械性能和生物活性，例如通过交联或与其他聚合物共混。

合成水凝胶

合成水凝胶是化学合成的聚合物，可以定制为具有特定的性能，例如机械强度、降解率和生物活性。合成水凝胶的例子包括聚(乙二醇)(PEG)、聚(乙烯醇)(PVA)和聚(丙烯酸)(PAA)。更复杂的合成水凝胶，例如 Peptigel，含有天然基质中常见的成分（肽）。合成水凝胶可以用生物活性分子（例如生长因子和细胞粘附肽）进行功能化，以增强其支持细胞生长和组织再生的能力。PODS 生长因子确保生长因子在水凝胶内稳定，从而确保持续的可用性。

混合水凝胶

混合水凝胶结合了天然水凝胶和合成水凝胶的优点，例如天然水凝胶的生物活性和合成水凝胶的可调特性。混合水凝胶的例子包括明胶-甲基丙烯酰基(GelMA)，它是明胶的可光交联衍生物，以及聚(乙二醇)-纤维蛋白原(PEG-Fb)，它是一种合成-天然混合水凝胶。通过调整其组成和交联条件，可以定制混合水凝胶以使其具有特定的性能，例如可印刷性、机械强度和生物活性。

用于 3D 生物打印的水凝胶的特性：

适印性

可打印性是 3D 生物打印水凝胶的一个关键特性，因为它决定了水凝胶通过喷嘴挤出并在沉积时保持其形状的能力。影响水凝胶适印性的因素包括其粘度、凝胶动力学和交联机制。具有适当印刷适性的水凝胶可用于制造复杂的高分辨率组织结构，并精确控制其几何形状和细胞组成。

机械性能

水凝胶的机械性能，如刚度和韧性，对于 3D 生物打印非常重要，因为它们决定了打印过程中和打印后打印的组织结构保持其形状和承受机械力的能力。具有可调节机械性能的水凝胶可用于模拟各种天然组织的机械性能，例如软骨等软组织和骨骼等硬组织。

生物相容性和生物活性

生物相容性和生物活性是 3D 生物打印水凝胶的基本特性，因为它们决定了打印的组织结构支持细胞粘附、增殖和分化的能力。具有高生物相容性和生物活性的水凝胶可用于制造可与宿主组织整合并促进组织再生的功能性组织结构。

应用和进步

3D 打印生物材料正在开发用于多个应用领域。

组织工程

水凝胶在 3D 打印中的主要应用之一是组织工程，它们作为生物墨水来创建支持细胞生长和组织形成的支架。水凝胶可以定制来模拟各种组织的细胞外基质（ECM），为细胞粘附、增殖和分化提供合适的环境。研究人员已成功使用基于水凝胶的生物墨水 3D 打印多种组织类型，包括软骨、骨骼、皮肤和血管。

药物输送

水凝胶还可用于药物输送应用的 3D 打印。通过将小分子、蛋白质或核酸等治疗剂纳入基于水凝胶的生物墨水中，研究人员可以创建具有控释特性的定制药物输送系统。这种方法允许制造特定于患者的植入物或装置，这些植入物或装置可以提供局部和持续的药物释放，从而有可能改善治疗结果并减少副作用。

软体机器人

水凝胶在 3D 打印中的另一个最近出现的应用是软机器人系统的开发。水凝胶的机械性能，例如灵活性和对外部刺激的响应能力，使其成为制造软执行器和传感器的理想材料。研究人员展示了基于水凝胶的软机器人的制造，该机器人能够模仿章鱼和水母等生物体的运动，在水下探索、环境监测和生物医学设备方面具有潜在的应用前景。

水凝胶在各种 3D 打印应用中显示出巨大的前景，包括组织工程、药物输送和软机器人技术。它们的特性，例如高含水量、生物相容性和可调节的机械特性，使它们成为这些应用的理想选择。随着该领域研究的不断进展，我们预计会看到水凝胶在 3D 打印中更具创新性和影响力的用途。

3D细胞打印技术的应用

过去15年左右，梦想推动了生物3D打印领域的投资和研究。生物3D打印技术是根据仿生形态、生物结构或生物功能、细胞的微环境等要求，采用“三维打印”技术制造生物单元（细胞/蛋白质/DNA等）和生物材料。 “技术手段制作个性化的体外三维结构模型或三维生物功能结构。

其科学研究、技术应用和产业发展广泛涉及以下方面：生物3D打印设备和生物墨水的开发与制造、医疗器械制造、复杂组织工程支架制造、功能结构制造等。
生物3D打印作为一个新兴的交叉前沿技术领域，目前受到许多国家战略重视。

生物3D打印技术的应用

根据所用生物材料的不同特性，清华大学生物3D打印中心将其分为4个等级。

1级

无生物相容性要求的打印材料可用于3D打印体外病例模型、手术导板、3D打印体外假肢或骨科辅助器具等，这一层面的应用极大发挥了3D打印在个性化定制方面的优势，帮助相关患者量身定制相关手术模型或治疗工具，让患者得到更好的治疗。

2级

印刷材料采用生物相容性但不可降解的材料。这种印刷产品可以用作体内的长期植入物。该材料可以是例如钛合金金属，或惰性聚合物材料。 T3D打印金属植入物制造商（爱康医疗）已获得多个CFDA上市许可，产品已应用于临床。

3级

打印具有良好生物相容性和可降解性的生物材料，主要应用领域是打印组织工程支架。此外。它要求打印的植入物不仅要与身体相容，还要具有可生物降解的特性，并能在一段时间内促进体内有缺陷的组织的生长和愈合。

清华大学生物制造中心的3D打印低温沉积制造技术，融合了生物3D打印和冷冻干燥显微造孔技术的优点。既可以实现宏观可控孔隙（100微米），又可以实现微观微丝孔隙。

3D打印组织工程支架提高了支架内的细胞种植率，更有利于支架内部细胞的生长和组织功能的实现。在骨组织工程支架领域得到良好应用，并开始转化为临床。

4级

细胞3D打印技术可以直接以细胞、蛋白质等生物活性物质（蛋白质、DNA、生长因子）为基本单位。它直接构建体外生物结构、组织或器官模型。

细胞3D打印的技术挑战

细胞（生物）3D打印技术是目前前沿的技术，也是器官打印潜力最大的技术。在打印过程中，细胞不可避免地会承受一定的机械力，甚至造成一定的损伤。因此，细胞3D打印技术的实现充满了各种技术挑战。细胞3D打印的技术挑战主要包括以下几个方面：

材料可以打印吗？

首先，我们要选择生物3D打印机可以打印的生物材料/生物墨水。不同的印刷工艺对生物链接的粘度有不同的要求。粘度太低或太高的生物墨水都难以打印。因此，细胞3D打印的首要挑战是寻找可打印的生物墨水。

可以构建 3D 结构吗？

并非所有印刷生物墨水都可以构建 3D 结构。为了打印高分辨率的3D复杂细胞结构，细胞印刷油墨需要增加印刷油墨的粘度。它需要增加生物墨水的凝胶容量以保持堆叠结构的机械性能。

细胞能存活吗？

增加细胞印刷油墨的粘度将导致印刷过程中单元的剪切力增加。并且会导致打印后细胞的存活率下降。因此，在印刷过程中控制细胞印刷油墨的粘度（不能太高也不能太低）。而找到适合细胞打印墨水的粘弹性区间是实现良好细胞3D打印的重要一步。如良好的成型性和生物性能。

功能齐全吗？

新打印的3D细胞结构只是细胞和生物材料的3D组合，并不形成组织特征。因此，打印的3D细胞结构必须经过适当的培养条件才能形成组织功能。这一环节需要保证生物材料的生物相容性、机械性能和功能性、充足的培养基供应和充足的废物排放。甚至某些组织也需要特定的生物反应器来通过流体、力或电刺激来实现其功能。

综上所述，细胞3D打印充满了不同甚至矛盾的技术挑战，需要多学科的背景知识和经验来解决这些问题。

细胞3D打印技术的四大分类

喷墨细胞打印技术

喷墨细胞打印是基于普通喷墨打印机的打印原理，利用热气泡或压电体积变化挤压墨盒中的细胞墨水，离散地产生并喷射含有细胞的细胞墨水液滴[1]。喷墨打印机的喷嘴直径只有几十微米，可以进行高精度的细胞打印。然而，由于喷嘴直径相对较小，喷墨细胞打印很难离散地打印高粘度的细胞墨水，这使得该技术很难直接打印3D生物实体模型。此外，热气泡的产生和压电体的变形肯定会损坏电池，需要更好地控制打印工艺参数。代表性的研究机构包括德克萨斯大学Boland教授的研究组。

微挤压单元3D打印技术

微挤压细胞三维打印技术利用机械力或气压通过微喷嘴直接挤压生物材料和细胞，构建三维生物结构[2,3]。由于常用的微挤压细胞打印机的喷嘴直径在数百微米，打印精度一般，但挤压工艺可以打印高粘弹性的生物墨水，易于实现3D生物实体的构建。此外，该技术在牺牲精度的同时增加了打印的每个离散单元的尺寸，从而间接提高了打印效率和细胞存活率。代表性研究机构包括清华大学生物制造中心孙伟教授研究组和哈佛大学Jennifer Lewis教授研究组。

激光直写细胞打印技术

激光直写细胞打印技术是指利用光压力控制细胞排列成高精度的空间结构。其精度可以达到单个细胞的数量级。然而，精度的提高也导致了成形效率的显着下降，而且该工艺也难以打印粘度较高的生物材料，降低了其打印三维生物结构的能力[4]。代表性的研究机构是明尼苏达大学David Odde教授的研究小组。

立体光刻单元3D打印技术

三维光刻细胞三维打印技术通过激光或紫外光在空间的扫描运动，实现含有光刻胶的细胞的三维凝固成型，创造出预先设计的三维生物结构[5] 。尽管这项技术灵活性很高，但其成型效率却并不如预期。有研究人员不再利用细小的激光光斑扫描三维固化成型，而是利用投影仪的原理进行曲面投影，各层同时固化成型。根据投影机类型，制程可分为LCD投影机式和DMD投影机式。

两者的本质区别在于，液晶投影机首先将光源分解为3种单色光，然后分别通过三片液晶面板控制这三种单色光的亮度，合成所需的光线和图案。 ，而DMD仅使用可以反射光源的数字阵列显微镜来实现。该工艺的光敏水凝胶是预先储存在成型室中的，造成材料浪费，且难以制备多种细胞异质结构，且大多数光敏水凝胶具有不同程度的毒性，使得细胞存活率较低。 。代表性的研究机构是加州大学圣地亚哥分校陈绍辰课题组。

声驱动细胞打印技术

声驱动细胞打印技术是一种利用声波振动产生液滴喷射的方法，其精度可低至10μm左右。然而，这一过程也是一种液滴喷射方法，很难喷射高粘度的生物材料，使得打印三维生物结构的能力受到限制[6]。代表性研究机构包括美国斯坦福大学Demirci教授研究组。

综上所述，各种细胞打印方法各有千秋，但对于三维复杂异质生物结构，微挤压细胞三维打印技术更适合，更容易构建多细胞三维模型。效率更高，细胞存活率高，打印精度（100微米）也能满足一般科学研究的需要。因此，目前市场上主流的细胞3D打印机大多基于该技术。代表企业有德国Envision TEC、瑞士RegenHu、中国SunP Biotech、Genova等。