一文解析懸浮生物3D打印

來(lái)源： EngineeringForLife

由于材料適用范圍廣，擠出式生物3D打印成為目前應(yīng)用最為廣泛的打印方法，但在大尺寸、高精度組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上，傳統(tǒng)擠出打印就略顯不足。為了克服現(xiàn)有擠出打印的局限，懸浮打印應(yīng)用而生，標(biāo)志著基于擠出式的生物3D打印迎來(lái)了新時(shí)代。那么究竟什么是懸浮打印呢？近期，英國(guó)愛(ài)丁堡赫瑞瓦特大學(xué)的Melchels團(tuán)隊(duì)發(fā)表在“Trends in Biotechnology”上的“3D Printing in Suspension Baths: Keeping the Promises of Bioprinting Afloat”綜述論文詳細(xì)介紹了懸浮打印的技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)，并對(duì)這種技術(shù)的幾個(gè)典型應(yīng)用進(jìn)行了討論。

1.什么是懸浮打印？
懸浮打印是在傳統(tǒng)擠出打印的基礎(chǔ)上增加了懸浮介質(zhì)，噴頭再懸浮介質(zhì)中打印。詳細(xì)來(lái)講，懸浮介質(zhì)在沒(méi)有施加外力或施加外力很小的時(shí)候表現(xiàn)出固體的特性，從而實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的自支撐；當(dāng)打印噴嘴運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的屈服應(yīng)力引發(fā)懸浮介質(zhì)的流動(dòng)，表現(xiàn)出液體的特性，并在打印噴嘴經(jīng)過(guò)后，由于懸浮介質(zhì)的自愈性從而實(shí)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)自發(fā)地恢復(fù)從而保證打印的實(shí)現(xiàn)（圖1）。因此，打印是否成功跟懸浮介質(zhì)的特性有著很大的關(guān)系。

圖1 懸浮打印原理

2.懸浮打印的成形性能優(yōu)勢(shì)
懸浮打印上手快、門檻較低，目前使用擠出式3D打印機(jī)的實(shí)驗(yàn)室只需額外添加一個(gè)懸浮介質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)懸浮打印。懸浮打印的優(yōu)點(diǎn)有：打印結(jié)構(gòu)不易坍塌、打印速度大幅提升、打印材料無(wú)脫水問(wèn)題、可以實(shí)現(xiàn)全方向打印（不僅僅局限于自下而上的逐層沉積）。懸浮打印有兩種用途：第一種是打印過(guò)程中用做輔助，結(jié)束后提取打印結(jié)構(gòu)，通常用來(lái)提取打印結(jié)構(gòu)的方法有升溫融化懸浮介質(zhì)、稀釋?xiě)腋〗橘|(zhì)、改變PH值降解懸浮介質(zhì)、酶降解法分解懸浮介質(zhì)；第二種是去除打印結(jié)構(gòu)，保留懸浮介質(zhì)，可用于血管化組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

3.懸浮打印的生物性能優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)3D打印仿生結(jié)構(gòu)常用高粘度生物墨水保證穩(wěn)定沉積的方法，但使用該方法會(huì)損傷細(xì)胞活性。利用懸浮打印可以使用低粘度生物墨水，僅靠懸浮介質(zhì)來(lái)支撐打印結(jié)構(gòu)而無(wú)需其他支撐，從而確保細(xì)胞存活率。懸浮打印可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)擠出式3D打印無(wú)法打印的膠原蛋白、纖維蛋白和沒(méi)有生物材料的純細(xì)胞等材料，以及許多器官和組織的自支撐結(jié)構(gòu)特征。

生物性能方面懸浮介質(zhì)也可作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），懸浮介質(zhì)在沒(méi)有施加外力或施加外力很小的時(shí)候表現(xiàn)出固體的特性，從而可知其能為細(xì)胞培養(yǎng)提供一個(gè)具有較大機(jī)械性能的基質(zhì)。許多組織在結(jié)構(gòu)上是分層的，這意味該結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的增殖需要不同分辨率的結(jié)構(gòu)，然而打印分辨率限制打印時(shí)間，從而導(dǎo)致細(xì)胞性能受到影響，然而懸浮打印可以提供全方向的不同分辨率的打印從而很好的解決這一問(wèn)題。懸浮介質(zhì)的材料特性有利于生物墨水在三維空間的全方向打印，這為解決構(gòu)建血管化問(wèn)題提供了很好的途徑。

圖2 全向3D打印技術(shù)的發(fā)展:從屈服應(yīng)力流體到懸浮液.（A）使用紅色生物墨水的3d打印血管網(wǎng)絡(luò)示意圖；（B）懸浮打印微型俄羅斯套娃；（C）熒光標(biāo)記的墨水(綠色)被連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)(紅色)包圍；（D）用熒光微球在懸浮介質(zhì)中打印一個(gè)空心管狀繩結(jié)；（E、F）在海藻酸鹽懸浮介質(zhì)中打印的人腦模型

圖3（A）概述兩種懸浮打印途徑：打印完成后固化打印結(jié)構(gòu)，去除懸浮介質(zhì)（上圖）；打印完成后固化懸浮介質(zhì)，去除打印結(jié)構(gòu)（下圖）；（B1）在胚狀體懸浮介質(zhì)中犧牲打印完成后的墨水.（B2）（上圖）器官單元塊；（下圖）去除打印結(jié)構(gòu)后，胚狀體懸浮介質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫截面；（C1）在羧乙烯聚合物懸浮介質(zhì)中打印的高度分枝管狀網(wǎng)絡(luò)（C2）將懸浮介質(zhì)去除后的打印結(jié)構(gòu)

圖4 懸浮打印用于人體心臟生物3D打印.（A-C）生物3D打印一個(gè)微型化、富含細(xì)胞的人類心臟；（D）從培養(yǎng)基中取出的3D打印心臟，然后用紅色和藍(lán)色染料灌注，以演示打印出的空心腔室；（E-F）明膠微粒組成的兩種懸浮介質(zhì)；G-H）打印在（F）中的膠原心臟瓣膜結(jié)構(gòu)

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2019.12.020