挤出生物打印

挤出生物打印原理

挤出生物打印利用机械力将生物墨水或生物材料溶液挤出，形成连续的丝状结构，并逐层堆叠构建出三维结构。根据所使用的机械力，挤出生物打印可分为三种类型：

气动式: 利用压缩空气驱动生物墨水或生物材料溶液通过针头挤出。

活塞式: 利用活塞机械驱动生物墨水或生物材料溶液通过针头挤出。

螺杆式: 利用螺杆机械驱动生物墨水或生物材料溶液通过针头挤出。

挤出生物打印设备

典型的挤出生物打印系统由以下部分组成：

打印头: 负责将生物墨水或生物材料溶液挤出。

三轴定位系统: 用于控制打印头的移动，实现精确的打印路径。

打印平台: 生物墨水或生物材料溶液沉积的表面。

温度控制系统: 用于调节生物墨水和打印平台的温度，控制凝胶化过程。

挤出生物打印流程

1.加载生物墨水: 将生物墨水或生物材料溶液加载到注射器中。

2.打印路径规划: 设计三维结构的打印路径。

3.打印: 控制打印头沿着打印路径移动，将生物墨水或生物材料溶液挤出，并逐层堆叠构建三维结构。

4.交联: 利用离子、热、光或酶交联机制，将生物墨水或生物材料溶液固化成三维结构。

关键影响因素

生物墨水特性: 包括粘度、表面张力、润湿性、交联机制和机械强度等。

打印参数: 包括打印压力、速度、温度、喷嘴尺寸和打印路径等。

过程诱导力: 包括压力、剪切应力和拉伸应力等，可能导致细胞损伤。

交联: 交联速度和强度影响构建的稳定性和力学性能。

挑战

打印分辨率: 挤出生物打印的分辨率受到针头尺寸的限制，难以实现细胞级别的打印。

细胞活力: 过程诱导力可能导致细胞损伤，影响构建的功能性。

血管化: 构建血管网络，为细胞提供养分和氧气，是组织再生的重要环节。

生物墨水选择: 选择合适的生物墨水，需要考虑其生物相容性、降解性和力学性能等因素。

关键问题和未来发展方向

关键问题

打印性能: 包括打印分辨率、细胞活力和结构完整性等，需要优化生物墨水和打印参数。

细胞功能: 包括细胞粘附、增殖、分化和组织再生等，需要开发生物相容性和生物活性良好的生物墨水。

血管化: 构建血管网络，为细胞提供养分和氧气，是组织再生的重要环节。

伦理和安全: 需要考虑生物墨水和细胞的来源，以及生物打印的安全性和有效性。

未来发展方向

多材料打印: 利用多种生物墨水构建更复杂的结构，模拟天然组织的异质性。

协同打印: 利用多个喷嘴或特殊打印技术，实现更精细的打印分辨率和结构控制。

血管化: 构建血管网络，为细胞提供养分和氧气，促进组织再生。

生物分子控制释放: 通过微纳米颗粒或智能材料，控制生长因子的释放，调节细胞行为和功能。

机器学习: 利用机器学习算法优化打印参数，预测生物墨水和构建的特性，提高打印效率和成功率。

嵌入式打印: 利用支撑介质实现更复杂的结构和更高的打印分辨率。

混合打印: 将挤出生物打印与其他打印技术结合，例如电纺，构建更复杂的结构和环境。

生物材料创新: 开发具有更优异的生物相容性、生物活性和力学性能的生物墨水。

总结

挤出生物打印是一种强大的技术，可以用于构建复杂的生物结构。通过深入了解其原理、设备和流程，以及关键影响因素，我们可以克服挑战，并推动挤出生物打印技术的发展，为组织工程和再生医学领域带来更多突破。未来，随着技术的不断进步和创新，挤出生物打印将发挥更大的作用，为人类健康带来更多福祉。

参考文献

Chen XB, Fazel Anvari-Yazdi A, Duan X, et.al. Biomaterials / bioinks and extrusion bioprinting. Bioact Mater. 2023 Jun 27;28:511-536.