清華大學(xué)歐陽禮亮：突破生物3D打印的流變學(xué)與力學(xué)邊界

來源：EngineeringForLife  

生物3D打印以活細(xì)胞為原材料之一直接進(jìn)行有生命的組織模型的構(gòu)建，長久以來，它都面臨著物理學(xué)與生物學(xué)之間的平衡。這一挑戰(zhàn)和矛盾很早就被研究者重視，并衍生出“生物制造窗口”（Biofabrication window）的概念，它指的是上述挑戰(zhàn)和矛盾往往導(dǎo)致材料特性被妥協(xié)在中等數(shù)值范圍內(nèi)，限制了生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用。近年來生物3D打印技術(shù)及生物墨水材料快速發(fā)展，大大拓展這個窗口，在生物3D打印系統(tǒng)中實現(xiàn)了很多非常規(guī)流變學(xué)及力學(xué)特性。然而，當(dāng)前“生物制造窗口”概念較為籠統(tǒng)，無法完整和準(zhǔn)確地描述生物3D打印全過程的物理學(xué)-生物學(xué)之間的復(fù)雜矛盾。

近日，清華大學(xué)歐陽禮亮（https://llouyang.com/）在Trends in Biotechnology（IF=19.536） 發(fā)表了題為“Pushing the rheological and mechanical boundaries of extrusion-based 3D bioprinting”的綜述文章，提出了擠出式生物3d打印兩個具體的“生物打印窗口“（Bioprinting window）概念，分別針對：1）打印過程中生物墨水的流變學(xué)特性；2）后續(xù)培養(yǎng)過程中打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在時空維度上較全面地描述了生物打印所面臨基本技術(shù)挑戰(zhàn)和難題�；�于此，系統(tǒng)總結(jié)了近年來在拓展兩個窗口邊界方向上的典型研究工作，并展望了生物3D打印新的前沿邊界。

圖1 兩個生物打印窗口：打印過程-生物墨水的流變學(xué)；培養(yǎng)過程-打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)

一、生物墨水流變學(xué)邊界拓展
1. 生物打印窗口（矛盾點）之一：生物墨水流變學(xué)性能
一般認(rèn)為，生物墨水需要有較高的粘度以保證擠出時的形態(tài)保持，實現(xiàn)三維成形，然而高粘度的墨水材料容易導(dǎo)致較大的細(xì)胞剪切損傷，影響細(xì)胞存活性。

2. 打印液相（無粘性）生物墨水
總結(jié)了三類典型的可實現(xiàn)非粘性生物墨水打印的技術(shù)策略，分別是原位交聯(lián)、后交聯(lián)以及懸浮打印。其中原位交聯(lián)能實現(xiàn)一系列低于15 mps的生物墨水的直接成形，而不需要增粘劑；后交聯(lián)也能實現(xiàn)儲存模量在1 Pa量級的生物墨水的打印，但依賴于墨水材料的快速交聯(lián)特性；懸浮打印依靠天然的懸浮介質(zhì)作為支撐，也是實現(xiàn)低粘性墨水成形的有效手段。

3. 打印固相生物墨水
生物墨水流變學(xué)的另一個極端是固相墨水。已有研究采用預(yù)交聯(lián)策略，對墨水預(yù)先交聯(lián)以期保護(hù)細(xì)胞同時防止細(xì)胞沉降，但對預(yù)交聯(lián)的程度較為敏感，可控性較差；近年來發(fā)展的微凝膠生物墨水，通過預(yù)先制備顆粒狀載細(xì)胞凝膠微球，可以整體展現(xiàn)姣好打印性，同時不依賴原始墨水組分的交聯(lián)特性；還有研究采用絲狀微凝膠組成生物墨水，除了提供打印性，還能定向排列及誘導(dǎo)細(xì)胞。

圖2 突破生物3D打印生物墨水的流變學(xué)邊界：A-典型的打印液相（或非粘性）生物墨水的策略；B-典型的打印固相生物墨水的策略

二、打印結(jié)構(gòu)力學(xué)邊界拓展
1. 生物打印窗口（矛盾點）之二：打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能
為了保持結(jié)構(gòu)保真度以及支持后續(xù)的穩(wěn)定培養(yǎng)，打印的結(jié)構(gòu)需要有一定的力學(xué)強度（打印的水凝膠材料楊氏模量一般在10 kPa及以上量級），然而，對于很多軟組織（大腦組織楊氏模量在1 kPa量級）來源細(xì)胞而言，過硬的外基質(zhì)材料會限制其生長及功能表達(dá)。

2. 打印超軟載細(xì)胞水凝膠三維結(jié)構(gòu)
載細(xì)胞超軟三維結(jié)構(gòu)的打印一直是一個難點問題，目前研究的總體思路是采用不同尺度的犧牲相。結(jié)構(gòu)支持性犧牲法采用宏觀的支持材料或結(jié)構(gòu)，對軟質(zhì)結(jié)構(gòu)起到臨時支撐作用，比如采用無孔三維打印策略以及懸浮打印策略。不互溶犧牲法利用微米級不互溶相對基質(zhì)材料起到臨時支撐作用，比如雙水相乳液法以及犧牲性微凝膠模板法�；ト軤奚�法利用可互溶的組分臨時提供結(jié)構(gòu)支撐，是一種納米分子尺度的犧牲法，常用的犧牲性分子包括明膠和海藻酸鈉。

3. 打印超硬載細(xì)胞水凝膠三維結(jié)構(gòu)
高力學(xué)強度結(jié)構(gòu)的打印對于骨、軟骨等組織的構(gòu)建也極為重要。已有的在打印水凝膠中進(jìn)行力學(xué)增強的策略包括支架法、復(fù)合材料法、多交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)法等。支架法通過同步打印力學(xué)增強的亞毫米、微米高分子支架結(jié)構(gòu)和載細(xì)胞水凝膠結(jié)構(gòu)，通過軟硬結(jié)合，實現(xiàn)整理的力學(xué)增強。復(fù)合材料法通過在水凝膠中復(fù)合納米纖維、顆粒，實現(xiàn)力學(xué)增強，而多交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)法的典型代表是雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。不同的策略雖然實現(xiàn)了打印結(jié)構(gòu)整理的力學(xué)增強，但并沒有改變所載細(xì)胞對直接接觸的材料微環(huán)境的要求，實際中，直接裝載細(xì)胞的材料相力學(xué)強度依然較低。

圖3 突破生物3D打印生物墨水的力學(xué)邊界：A-典型的打印超軟三維結(jié)構(gòu)的策略，B-典型的打印超強力學(xué)性能三維結(jié)構(gòu)的策略

三、展望新的流變學(xué)及力學(xué)邊界
1. 純細(xì)胞生物墨水
一般而言，生物墨水流變學(xué)研究都是圍繞水凝膠材料展開，然而生物材料并不是生物墨水的必須組分，這就衍生出一個新的生物墨水邊界：純細(xì)胞或高細(xì)胞濃度的生物墨水。這類生物墨水對于模擬組織級別細(xì)胞密度具有重要意義，目前已有研究直接采用純細(xì)胞懸液或微球作為生物墨水進(jìn)行組織構(gòu)建，并展現(xiàn)巨大潛力。

2. 動態(tài)力學(xué)性能生物打印結(jié)構(gòu)
材料力學(xué)性能對細(xì)胞的影響更多的描述的是靜態(tài)性能，根據(jù)打印結(jié)構(gòu)中細(xì)胞組織的生長需求，亟需響應(yīng)性基質(zhì)材料，能夠適應(yīng)組織發(fā)生發(fā)展的動態(tài)過程。動態(tài)力學(xué)性水凝膠及生物墨水近年來也得到了極大關(guān)注，有望助力生物打印組織結(jié)構(gòu)從“形似”到“神似”的轉(zhuǎn)變。

文章來源：
L. Ouyang*, Pushing the Rheological and Mechanical Boundaries of Extrusion-based 3D Bioprinting. Trends in Biotechnology (2022). https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.01.001