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8 Jan 2019, 2:29

生物3D打印之墨水

生物3D 打印就是将生物材料(水凝胶等)和生物单元(细胞、DNA、蛋白质等)按照仿生形态学、生物体功能、细胞生长微环境等要求用3D 打印的手段制造出具有个性化的生物功能结构体的制造方法。

生物3D打印所采用的材料我们形象的称之为生物墨水,今天就为大家介绍一下生物墨水的研究。

 生物墨水要求

生物墨水首先要有非常好的生物活性,要有类似于体内细胞外基质的环境,这样便于打印后的细胞进一步发育,并使细胞间建立起彼此的通信关系。

其次生物墨水要具备良好的成形性,生物3D打印要求墨水在打印时必须具有很好的流动性,打印后又能很快固化以便于固定成形。

通过提高水凝胶浓度及交联剂密度可加快固化时间,提高水凝胶强度,有利于更好的打印成形,但同时也会降低凝胶含水量,缩小凝胶内部微孔径,不利于细胞生存及细胞外基质的沉积,因此生物墨水有一个合适的成形工艺区间,也就是所谓的BiofabricationWindow。该窗口主要是指兼顾打印要求、细胞活性及生长要求,并结合打印的工艺参数(如打印速度、挤出压力、打印温度、墨水浓度、交联剂浓度、光固化时间等)所构成的一个能成功打印的区间。在具体打印过程中,可以根据实际细胞类型和打印精度的需要沿不同方向移动窗口,调整凝胶性能。

 生物墨水分类

目前的生物墨水主要有离子交联型、温敏型、光敏型及剪切变稀型4 大类。

离子交联型主要是通过离子交联反应实现水凝胶的固化,比如海藻酸盐系列墨水,使用时海藻酸钠中的钠离子与钙离子进行置换,获得海藻酸钙水凝胶;

温敏型墨水主要是通过加热或冷却的方式实现墨水从溶胶态到凝胶态的转变,比如明胶类墨水,打印时需要加热喷头以熔化明胶,冷却底部的打印平台以实现明胶定形;

光敏型墨水主要是通过光来激活墨水中的光引发剂实现墨水从溶胶态到凝胶态的转变,比如甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA,EFL-GM 系列)材料;

剪切变稀型墨水主要是利用一些材料的表观黏度随着切应力的增加而减小的现象,在不受到剪切力时表现为凝胶态,当受到剪切力作用时变为溶胶态,比如采用卡波姆胶+GelMA 或胶原构成生物墨水。

 生物墨水性能评价

生物墨水的性能可采用可打印性、生物兼容性及机械性能来评价。

“可打印性”用于评价墨水的成形性能,要求材料黏度可调可控、溶胶态到凝胶态的相变转换速度快、可打印工艺参数窗口宽;

“生物兼容性”用于评价墨水模拟细胞外基质的能力,要求墨水能尽可能地接近所打印细胞在体内的微环境,细胞能在凝胶化的墨水内增殖、伸展、分化并实现最终彼此间的通讯。

机械性能要求凝胶化后的墨水有足够的强度来支持后续的培养及体内植入过程。通常打印后的结构需要体外培养一段时间,培养过程中可能会出现营养的灌注、降解等,要求结构必须有足够的强度支撑这一过程,同样植入体内时如果强度太低也会导致植入失败。

 目前常用生物墨水比较

动物细胞分泌的细胞外基质主要由三大类成分组成:结构蛋白(胶原、弹性蛋白等)、专一蛋白(纤维蛋白等)及蛋白聚糖。最理想的生物墨水无疑就是能逼近天然的细胞外基质,因而不同的细胞所需的生物墨水也需要调整,原则上讲要尽可能添加细胞在体内生长时所需的物质。比如在打印软骨细胞时,添加一些透明质酸(软骨中常见的组分)会对后期的培养及功能化有较好的促进作用。目前最常用的海藻酸盐系生物墨水成形性能及机械性能较好,缺点是生物兼容性较弱,直接影响打印后细胞向组织的转化;而胶原类生物墨水由于来自动物体内,有很好的生物兼容性,缺点是成形速度慢,机械性能差,需要后续的改性或者混入其他材料中使用。而GelMA 材料兼具可打印性及可成形性两大优点,有望在生物3D 打印中获得广泛的应用。

从目前关于生物3D打印的报道来看,基本还是打印一些网格结构为主,真正实现类组织结构的打印还需要从打印工艺及打印方法上做很多努力。我们共同期待这一天的到来!

YuWang 还没写个人简介...

8 Jan 2019, 2:29