液滴式生物3D打印，在細胞級別精確操控生物材料和細胞
生物打印技術近年來迅速發展，成為再生醫學、組織工程和藥物研發等領域的關鍵工具。其中，滴液式生物打印（Droplet-based Bioprinting, DBB）因其能夠在細胞級別精確操控生物材料和細胞，展現出獨特的優勢。然而，該技術在生物墨水的粘度范圍、細胞濃度、打印精度以及可重復性等方面仍面臨挑戰。因此，深入探討DBB的技術原理、優化策略及其應用前景，對于推動生物打印技術的發展具有重要意義。
基于此，來自賓夕法尼亞州立大學的Ibrahim T. Ozbolat團隊全面介紹了滴液式生物打印（Droplet-based Bioprinting, DBB）技術，包括其技術原理、實驗設置、生物墨水選擇、打印參數優化以及在多個領域的應用前景。相關綜述論文以“Droplet-based bioprinting”為題于2025年4月24日發表在《Nature Reviews Methods Primers》上。
1.DBB技術：生物打印新勢力
生物3D打印旨在利用生物材料與細胞構建三維結構，而DBB憑借細胞級操控精度與高通量構建能力脫穎而出。它能將生物墨水精準“噴灑”成微滴，在培養皿上按預設模式層層堆疊，最終形成復雜組織結構。與傳統擠出式生物打印相比，DBB對細胞造成的剪切應力更小，細胞活性與生存率更高，并且能夠靈活處理多種生物材料，為構建異質組織模型提供可能。
2.DBB的種類與原理
圖1展示了典型的DBB實驗裝置，包括生物墨水存儲器、噴頭、壓力控制系統、運動控制系統、高速攝像機、軟件和環境控制系統等。這些組件協同工作，實現了對液滴生成和噴射的精確控制。
作者總結了四種主要的生物打印模式及其五種DBB子模式的工作原理（圖2）。擠出式生物打印（EBB）使用氣動活塞或螺旋進給機構產生生物墨水的連續流；DBB和激光生物打印（LaBB）產生生物墨水的液滴，其中LaBB利用聚焦在吸收層上的激光產生壓力，將生物材料移動到接收表面；光基生物打印（LiBB）利用圖案化光刺激光交聯生物墨水。DBB的五種子模式包括噴墨、聲波、聲流控、微閥和電靜液生物打印，每種子模式都具有獨特的液滴生成機制和應用場景。
3.生物墨水的選擇與特性
DBB的實施離不開生物墨水，其需滿足低黏度（通常小于20 mPa・s），以保障在噴嘴與管路系統中順暢流動，防止堵塞，確保液滴大小均勻、穩定；同時又要具備高機械強度，為打印結構提供支撐。此外，生物墨水還應具備rheopectic行為，即在噴射時受應力作用黏度增加，助力液滴成型；需可生物降解，以便組織再生，且在打印后維持結構直至足夠組織形成；要能穩定形成液滴并與基底相互作用，使3D構造與設計契合；必須促進細胞活性與增殖，保護細胞免受機械、熱應力，化學作用，蒸發以及溫度與pH波動影響。
常見的生物墨水包括細胞外基質（ECM）的天然或修飾組分，如海藻酸鹽、纖維蛋白、膠原蛋白、瓊脂糖和甲基丙烯酰化明膠等。海藻酸鹽成本低廉、生物相容性好，低濃度時生物打印性能優異，凝膠速度迅速且彈性適中，無免疫原性。纖維蛋白支持細胞生長，可用于傷口愈合領域。膠原蛋白是ECM的天然組分，在生理條件下易交聯，適用于皮膚、軟骨、神經與血管組織的生物打印。
4.DBB工藝優化
DBB的精度與質量受多種因素影響，工藝優化至關重要。在此部分，作者主要總結了三點：
（1）控制軟件與參數調節：軟件需同步控制噴頭運動、液滴噴射與相機系統。關鍵參數包括噴嘴直徑、噴頭速度、噴嘴與基底間距、生物墨水與基底溫度、層間距、施加壓力、閥門驅動參數等。通過調整這些參數，可精準控制液滴的形成、飛行軌跡、基底相互作用以及交聯過程。
（2）液滴可視化技術：采用高速相機與激光束，對飛行中的液滴進行實時成像，分析液滴的直徑、縱橫比、速度、是否含有衛星液滴等參數，以優化打印參數，提升打印質量。
（3）基底選擇與處理：基底在DBB過程中起著至關重要的作用。圖3展示了DBB對不同要求的適用性，包括溫度依賴性生物墨水、低粘度和高粘度生物墨水、高精度需求、低細胞密度和高細胞密度生物墨水、高速生物打印以及非平面基底等。基底材料涵蓋水凝膠、涂覆于玻片的薄膠原層等。不同基底的潤濕性、粗糙度等特性會顯著影響液滴的鋪展、濺射行為，進而影響打印結構的精度與功能。
同時，作者早圖4和圖5分別展示了DBB中液滴的形成過程及與基底的相互作用、液滴的交聯方法。圖4描繪了從噴嘴推出液柱，到液柱拉伸、斷裂形成主液滴和衛星液滴，再到液滴在基底上鋪展、沉積或發生濺射等行為的過程，這些過程受液滴特性（如尺寸、速度、形狀）及基底特性（如潤濕性、粗糙度）的影響。液滴交聯的多種方式，包括化學交聯、物理交聯、光交聯和熱交聯等，這些方法通過化學反應或物理作用使液滴固化，形成穩定的3D結構（圖5）。對深入理解液滴形成、相互作用及交聯機制，優化DBB工藝參數、提升打印質量和效率具有重要意義。
5.液滴特性和打印保真度
DBB打印精度和形狀保真度的評估方法涵蓋了重復打印方形網格評估打印機精度、測量液滴直徑和間距評估液滴均勻性、利用高速攝像機和激光束測量液滴速度和質量、以及評估細胞封裝效率和細胞活性等方面（圖6）。這些評估手段為DBB的打印質量提供了全面的量化依據，幫助研究人員深入了解打印過程中液滴的行為，進而優化打印參數，提升打印結構的精度和保真度，確保最終的生物打印構造能夠滿足設計要求和功能需求。
6.DBB在生物醫學領域的多樣化應用
最后，作者展示了DBB在生物醫學領域的多樣化應用實例（圖7），包括打印腎細胞以形成具有可灌注管腔的腎小管樣結構，助力器官芯片開發；精準打印單細胞以研究細胞在特定微環境中的分化和遷移行為；利用雙噴嘴系統構建包含腫瘤細胞和基質細胞的腫瘤微環境模型；在手術中直接對皮膚缺陷進行原位生物打印以促進傷口愈合；以及高通量制備3D微組織芯片用于藥物篩選。這些應用展示了DBB技術在組織工程、疾病建模、藥物研發和再生醫學等領域的廣泛潛力，為生物醫學研究和臨床治療提供了新的解決方案和工具。
盡管DBB技術取得顯著進展，但仍面臨諸多挑戰。其生物墨水黏度適用范圍較窄，限制了部分高黏度生物材料的應用；噴嘴易堵塞，影響打印連續性與穩定性；細胞在墨水中的分布與包裹精度有待提高，且細胞活性與功能在打印過程中可能受損。為突破這些瓶頸，研究者們正積極探索創新解決方案。一方面，開發新型生物墨水與打印材料，拓展DBB的材料選擇范圍；另一方面，優化打印設備與工藝參數，提升打印精度與效率；同時，加強跨學科合作，融合機械工程、材料科學、生物學等多領域知識，共同推動DBB技術邁向新高度。
展望未來，DBB技術有望在自動化、人工智能集成以及多模態融合等方面實現重大突破，進一步提升生物制造的智能化水平，助力構建更精準、復雜的生物系統，為人類健康事業創造更大價值。圖8展示了基于人工智能的DBB參數優化過程，通過實時分析液滴特征，自動調整打印參數，實現對液滴特性的精確控制。這一技術的發展將進一步提升DBB的打印質量和效率，為未來生物制造的智能化發展奠定基礎。
參考資料：https://doi.org/10.1038/s43586-025-00394-y
(責任編輯：admin)
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