清華新聞網(wǎng)12月17日電 3D生物打印技術(shù)因其能夠?qū)⒓?xì)胞和材料（即生物墨水）精確地堆積成三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在組織再生和病理模型構(gòu)建等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前已發(fā)展出多種生物打印技術(shù)，其中，最常見(jiàn)的打印方式是擠出式生物打印，即通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)控制生物墨水的擠出與組裝，然后迅速成形以保持打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和保真度。一般而言，擠出式生物打印的生物墨水需要同時(shí)滿(mǎn)足可打印性和功能性，而這兩者通常是相互矛盾的。比如，濃度（或粘度）較高的水凝膠墨水更有利于微絲擠出和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而獲得較高的形狀保真度；而濃度（或粘度）較低的水凝膠墨水更有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移和增殖。國(guó)內(nèi)外研究者先后提出了使用細(xì)胞微球團(tuán)來(lái)組裝復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)、添加流變改性劑來(lái)改善粘度較低水凝膠墨水的可打印性、開(kāi)發(fā)懸浮打印策略等方法，但依然面臨著力學(xué)性能較差、生物相容性差、生物墨水種類(lèi)受限、殘留物影響打印結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。
為克服上述挑戰(zhàn)，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓和張婷課題組在學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上在線(xiàn)發(fā)表題為“具有異質(zhì)組織微環(huán)境的載細(xì)胞微凝膠雙相生物墨水的3D打印與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用”（3D Printing of Cell-laden Microgel-based Biphasic Bioink with Heterogeneous Microenvironment for Biomedical Applications）的研究論文，報(bào)道了一種具有超彈性和異質(zhì)組織微環(huán)境的載細(xì)胞微凝膠雙相生物墨水。該微凝膠雙相生物墨水由兩部分組成：載細(xì)胞微凝膠在緊密堆積下作為分散相，形成第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)；水凝膠前驅(qū)體作為連續(xù)相滲入微凝膠之間的孔隙，在微凝膠之間形成第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)。墨水在打印過(guò)程中具有優(yōu)異的流變性能、剪切變稀和自愈合特性，打印的結(jié)構(gòu)在交聯(lián)后也具有極好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。相較于純水凝膠、純微球生物墨水，該微凝膠雙相生物墨水表現(xiàn)出超彈性和更好的循環(huán)拉-壓性能。更重要的是，微凝膠雙相生物墨水的設(shè)計(jì)策略適合于各種水凝膠材料和交聯(lián)策略，包括常規(guī)打印技術(shù)難以使用的低粘度水凝膠墨水，極大了拓展了生物墨水的材料窗口。
圖1 微凝膠雙相生物墨水的制備、打印與特性。（a-b）微凝膠雙相生物墨水的組成；（c）3D打印過(guò)程；（d）生物墨水制備流程；（e）3D打印的支氣管結(jié)構(gòu)；（f）超彈性特征；（g）高細(xì)胞活性；（h）異質(zhì)組織微環(huán)境。
進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該微凝膠雙相生物墨水具有高細(xì)胞活性和高細(xì)胞密度，同時(shí)通過(guò)在微球相和連續(xù)相內(nèi)添加不同類(lèi)型的細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)組織異質(zhì)微環(huán)境的構(gòu)建，為生物墨水的設(shè)計(jì)提供了更靈活的選擇。未來(lái)，載細(xì)胞雙相生物墨水可以與現(xiàn)有3D打印策略相結(jié)合，以更好地模擬天然組織和器官的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和異質(zhì)性，進(jìn)一步拓展了3D生物打印在組織工程和軟體機(jī)器人等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
清華大學(xué)機(jī)械系生物制造中心博士后方永聰為論文第一作者，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓副教授為論文通訊作者，清華大學(xué)機(jī)械系張婷副研究員為共同通訊作者。清華大學(xué)機(jī)械系碩士生郭依涵，科研助理姬夢(mèng)柯、李彬寒，本科生郭昱江、朱頡茗共同參與了研究工作。該研究獲得清華大學(xué)人才引進(jìn)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金站前資助項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109810
供稿：機(jī)械系
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：呂婷
