細胞打印技術為植物組織工程的發展提供了技術支撐，在植物細胞微環境研究、高價值代謝產物生產、植物基食品制造以及定制化木材合成等領域展現出巨大潛力。然而，與已經相對成熟的哺乳動物細胞打印相比，植物細胞打印尚處于起步階段，仍面臨如細胞尺寸不均和剪切力敏感等挑戰，難以同時實現高打印分辨率與高細胞活性。
 

       近期，清華大學機械系歐陽禮亮團隊以胡蘿卜細胞為研究對象，系統探討了植物細胞團形態對生物墨水性能的影響，并提出“植物細胞團尺寸與針頭內徑匹配”的策略，旨在為植物細胞的工程化應用提供參數優化方案（圖1）。
 

工作亮點

• 首次建立適用于擠出打印的植物細胞團-針頭尺寸匹配準則

• 厘米級大尺寸載植物細胞結構的打印與穩定培養

• 擠出式打印對植物細胞功能影響的初步解析

研究內容
      基于懸浮培養獲得的細胞團（S-Cell）的墨水活性與均勻性更好。本研究首先從胡蘿卜外植體培養獲得常規愈傷組織（R-Callus），隨后通過物理破碎獲得離散化愈傷組織（F-Callus），并采用懸浮培養獲得細胞團（S-Cell）。其中S-Cell的尺寸最小（174±79 μm），活死染色結果表明，三種細胞形態的初始存活率均較高（R-Callus ~93%，F-Callus ~85%，S-Cell ~97%），因在制備過程中受機械剪切作用，F-Callus的存活率相對較低（圖2）。
 

將三種細胞形態分別與明膠/海藻酸水凝膠混合制備生物墨水。透明度測試顯示，S-Cell墨水均勻性最佳。流變學測試表明，所有墨水均表現出剪切稀化特性，且墨水均保持溶膠-凝膠溫敏轉變能力。這對形成擠出微絲單元和打印過程中的結構自支撐至關重要。在擠出測試中，S-Cell因其均勻性良好和尺寸小的優勢，可用內徑更小的針頭（24G：310μm）進行擠出（圖3）。
 

在此基礎上，作者通過進一步測試不同規格針頭（18G-24G）的打印效果發現，當針頭直徑能覆蓋85%（臨界分數）以上的細胞團時，生物墨水可以實現穩定打�。▓D4）。并且僅S-Cell墨水可順利通過24G針頭實現更高分辨率打�。▓D4）和更高細胞活性（圖5）。
 

作者通過活死染色定量分析發現，在打印后，三種墨水細胞存活率相近，但培養4天后，S-Cell組的細胞活性提高至80%以上，且35天內持續增殖，載細胞結構保持良好形貌和結構穩定性（圖5、6）。

團隊使用S-Cell墨水成功打印出厘米級的“胡蘿卜形狀”結構�；钏廊旧�結果顯示，不同區域細胞活性一致，表明3D打印構建的多孔結構有助于營養物質的均勻交換（圖7）。

RNA-seq 分析顯示，打印過程激活了細胞壁修復、防御響應、氧化應激等基因表達，提示植物細胞能通過自我調節應對適度的剪切應激（圖8）。但若剪切力過強，細胞死亡風險加大。
 

總結與展望
      為避免植物細胞在打印過程中，因過高的剪切作用而導致細胞死亡和生長緩慢，本研究首次提出“臨界分數”作為細胞團-噴嘴匹配的重要準則，為高分辨率與高活性植物細胞打印提供理論依據與實用指導，并通過RNA-seq分析，初步驗證了在合適的剪切作用下，植物細胞可通過自調節，恢復良好的生長狀態�？偨Y而言，打印參數窗口的選擇對植物細胞打印至關重要。
      論文于2025年2月5日發表于《Biofabrication》，清華大學機械系博士生周德志為第一作者，本科生李佩錫為共同第一作者，歐陽禮亮副教授為通訊作者，其他合作者包括博士生余爽、前科研助理崔鎮華以及深圳清華大學研究院徐弢教授。項目獲得國家自然科學基金的支持。

原文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/adada1

(責任編輯：admin)

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