3D生物打印的原理、當前常用的打印技術及生物墨水的交聯原理和選擇
3D 生物打印，即用生物材料一層層復原出人體內的結構。這些結構不僅僅是細胞的住所，也是未來組織修復和藥物篩選的關鍵……
01
常用的 3D 生物打印技術
三維 (3D) 生物打印 (Three dimensional (3D) Bioprinting) 是利用活細胞、生物分子和生物材料 (生物墨水, 如水凝膠) 打印生物醫學結構的方法，通過逐層沉積生物材料以創建組織和器官等 3D 結構[1][2]。
例如，傳統的組織工程策略首先需要將細胞接種到多孔水凝膠支架上。隨后在體內培養，這些細胞發生增殖和分化，最終構建生物替代品。
圖 1. 用于組織工程的 3D 生物打印結構[3]。
知識鏈接：
3D 生物打印是 3D 打印的一種延伸，它以增材制造技術為基礎，可在 X、Y 和 Z 方向控制制造 3D 結構。要形成的復雜結構可以使用計算機輔助設計 (CAD) 軟件進行設計，也可以從磁共振成像 (MRI) 或計算機斷層掃描 (CT) 等醫學圖像中進行掃描[4]。
目前，3D 生物打印已成為一種很有前途的技術，可用于制造具有定制生物成分和機械性能的復雜組織結構。
應用：
(1) 通過利用這種變革性技術，可以精確定位生物墨水(包括水凝膠、細胞和生長因子)，以創建 3D 體外培養環境；
(2) 也可以在體外重現天然組織結構、細胞組成和脈管系統，以創建仿生組織模型；
(3) 還可用于研究疾病機制、篩選藥物和其他臨床應用[4]。
(4) 此外，隨著誘導性多能干細胞（iPSC）衍生細胞的進一步參與，可以建立健康和疾病狀態下的個性化組織模型，以定制藥物篩選和治療過程。
圖 2. 使用 3D 生物打印構建可用于藥物測試和疾病建模的體外結構[4]。
目前，常見的 3D 生物支架打印技術主要包括噴墨打印(Inkjet-based)、擠出打印(Extrusion-based) 和光輔助打印 (Light-assisted) 等。
每種打印方法都能打印細胞支架和直接在支架內封裝細胞以構建組織構造[4]。這些平臺在打印機制、分辨率、時間和材料選擇等方面存在差異。擠出打印是最常用的技術，其次是光輔助和噴墨打印[5][6][7]。
下表總結了目前常用的幾種 3D 生物支架打印技術的區別。
表 1. 不同 3D 生物打印之間的區別[2][4-12]。
02
生物墨水
3D 生物打印借由 3D 生物打印機，制造出細胞支架，再將細胞"種入"支架中，使細胞得以生長[13]。
支架作為細胞相互作用的模板，為新發育的組織提供物理支持[14]。此外，支架還可以作為運載工具，加入必需的生長因子來控制和促進組織生長[15]。因此，支架打印在 3D 打印中十分重要，是 3D 打印的起始階段。
用于生物打印支架的材料被稱為生物墨水，生物墨水由生物材料溶液和細胞 (存在或不存在生長因子) 組成，包括單一類型的生物材料或各種生物材料的混合物[6]。
表 2. 不同生物墨水之間的區別[16][17]。
生物墨水可以根據其來源分為天然聚合物和合成聚合物兩大類。
- 天然聚合物 (如藻酸鹽、殼聚糖、明膠、膠原蛋白) 有著與人體 ECM 的相似性及其固有的生物活性，但可能在機械性能上存在限制。
- 合成聚合物 (如聚己內酯 PCL、聚乳酸 PLA、聚乙二醇 PEG)，雖然通常在生物學上是惰性的，但它們機械性能較強且具有可控的物理化學性質 (降解率、擴散率、疏水性)[16]。
生物墨水的選擇取決于特定的應用 (例如不同的組織、不同的打印方法)，在 3D 打印過程中選擇生物墨水主要依據以下幾點：
- 一定的機械性能 —————— 能提供支架支撐
- 精確沉積、快速凝固 ———— 提高打印分辨率
- 可降解、無毒 ——————— 減少細胞損傷
- 墨水流動性 ———————— 保持打印結構
- 生物相容性 ———————— 支持細胞生長/發揮正常功能
- 免疫原性 ————————— 植入體內后不引起免疫反應
03
生物墨水的交聯原理
打印形成支架后，3D 生物打印中使用的生物墨水要通過交聯形成水凝膠，以達到保持打印結構保真度和分辨率所需的強度和穩定性。此外，水凝膠的交聯可以為打印結構內的細胞生長提供足夠的支持。水凝膠的交聯途徑包括化學交聯和物理交聯[3]。
- 物理交聯是發生在各種聚合物鏈之間的非共價鍵相互作用，如疏水、靜電、氫鍵、立體絡合和主客相互作用，物理交聯的過程一般在溫和的生理條件下實現，但這種交聯是可逆的[18]。
- 化學交聯的反應通過交聯劑或者通過自然形成的共價鍵實現，這些鍵的形成可以通過自由基聚合、酶促或互補基團的反應來誘導[19]。化學交聯不可逆，但交聯劑的選擇很重要，否則可能會對細胞造成一定的損傷[20]。
表 3. 物理交聯和化學交聯原理。
在生物墨水的交聯使用中，物理交聯這類非共價鍵的交聯往往不太穩定，不完全交聯可能導致結構坍塌從而失去形狀，因此選擇正確的交聯方式對維持模型的穩定十分重要。
光交聯反應是目前使用較為廣泛的交聯方式，這是因為光交聯不僅交聯速度快而且產熱較小[21]。同時光基生物打印可以通過光敏材料的光聚合來實現，生物墨水只需要與光反應基團相結合就可以實現快速光聚合 (如圖 1)[22]。目前市面上常用的光反應基團是甲基丙烯酰基 (Mal)。
圖 3. 光交聯原理[3]。
通常，紫外光和可見光均可用作光聚合的光源 (Light source)。然而，由于紫外光可能誘發基因突變，甚至導致細胞死亡，因此在基于光的生物打印中通常使用可見光源來確保細胞活力并避免對細胞造成潛在傷害。光引發劑 (Photo-initiators，PIs) 是感光生物墨水的關鍵成分。當受到光照射時，PI 可以被激發產生活性物質，隨后引發生物材料的聚合。04
小結
在這篇文章里，我們介紹了 3D 生物打印的原理、當前常用的生物打印技術、生物墨水的交聯原理及選擇。3D 打印的成功與否是與這些因素息息相關的，除此之外打印時間、速度、壓力以及細胞材料的選擇同樣也很重要。
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參考文獻：
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