清華大學歐陽禮亮：突破生物3D打印的流變學與力學邊界

來源：EngineeringForLife  

生物3D打印以活細胞為原材料之一直接進行有生命的組織模型的構建，長久以來，它都面臨著物理學與生物學之間的平衡。這一挑戰(zhàn)和矛盾很早就被研究者重視，并衍生出“生物制造窗口”（Biofabrication window）的概念，它指的是上述挑戰(zhàn)和矛盾往往導致材料特性被妥協在中等數值范圍內，限制了生物3D打印技術的應用。近年來生物3D打印技術及生物墨水材料快速發(fā)展，大大拓展這個窗口，在生物3D打印系統(tǒng)中實現了很多非常規(guī)流變學及力學特性。然而，當前“生物制造窗口”概念較為籠統(tǒng)，無法完整和準確地描述生物3D打印全過程的物理學-生物學之間的復雜矛盾。

近日，清華大學歐陽禮亮（https://llouyang.com/）在Trends in Biotechnology（IF=19.536） 發(fā)表了題為“Pushing the rheological and mechanical boundaries of extrusion-based 3D bioprinting”的綜述文章，提出了擠出式生物3d打印兩個具體的“生物打印窗口“（Bioprinting window）概念，分別針對：1）打印過程中生物墨水的流變學特性；2）后續(xù)培養(yǎng)過程中打印結構的力學特性，在時空維度上較全面地描述了生物打印所面臨基本技術挑戰(zhàn)和難題�；�于此，系統(tǒng)總結了近年來在拓展兩個窗口邊界方向上的典型研究工作，并展望了生物3D打印新的前沿邊界。

圖1 兩個生物打印窗口：打印過程-生物墨水的流變學；培養(yǎng)過程-打印結構的力學

一、生物墨水流變學邊界拓展
1. 生物打印窗口（矛盾點）之一：生物墨水流變學性能
一般認為，生物墨水需要有較高的粘度以保證擠出時的形態(tài)保持，實現三維成形，然而高粘度的墨水材料容易導致較大的細胞剪切損傷，影響細胞存活性。

2. 打印液相（無粘性）生物墨水
總結了三類典型的可實現非粘性生物墨水打印的技術策略，分別是原位交聯、后交聯以及懸浮打印。其中原位交聯能實現一系列低于15 mps的生物墨水的直接成形，而不需要增粘劑；后交聯也能實現儲存模量在1 Pa量級的生物墨水的打印，但依賴于墨水材料的快速交聯特性；懸浮打印依靠天然的懸浮介質作為支撐，也是實現低粘性墨水成形的有效手段。

3. 打印固相生物墨水
生物墨水流變學的另一個極端是固相墨水。已有研究采用預交聯策略，對墨水預先交聯以期保護細胞同時防止細胞沉降，但對預交聯的程度較為敏感，可控性較差；近年來發(fā)展的微凝膠生物墨水，通過預先制備顆粒狀載細胞凝膠微球，可以整體展現姣好打印性，同時不依賴原始墨水組分的交聯特性；還有研究采用絲狀微凝膠組成生物墨水，除了提供打印性，還能定向排列及誘導細胞。

圖2 突破生物3D打印生物墨水的流變學邊界：A-典型的打印液相（或非粘性）生物墨水的策略；B-典型的打印固相生物墨水的策略

二、打印結構力學邊界拓展
1. 生物打印窗口（矛盾點）之二：打印結構的力學性能
為了保持結構保真度以及支持后續(xù)的穩(wěn)定培養(yǎng)，打印的結構需要有一定的力學強度（打印的水凝膠材料楊氏模量一般在10 kPa及以上量級），然而，對于很多軟組織（大腦組織楊氏模量在1 kPa量級）來源細胞而言，過硬的外基質材料會限制其生長及功能表達。

2. 打印超軟載細胞水凝膠三維結構
載細胞超軟三維結構的打印一直是一個難點問題，目前研究的總體思路是采用不同尺度的犧牲相。結構支持性犧牲法采用宏觀的支持材料或結構，對軟質結構起到臨時支撐作用，比如采用無孔三維打印策略以及懸浮打印策略。不互溶犧牲法利用微米級不互溶相對基質材料起到臨時支撐作用，比如雙水相乳液法以及犧牲性微凝膠模板法�；ト軤奚�法利用可互溶的組分臨時提供結構支撐，是一種納米分子尺度的犧牲法，常用的犧牲性分子包括明膠和海藻酸鈉。

3. 打印超硬載細胞水凝膠三維結構
高力學強度結構的打印對于骨、軟骨等組織的構建也極為重要。已有的在打印水凝膠中進行力學增強的策略包括支架法、復合材料法、多交聯網絡法等。支架法通過同步打印力學增強的亞毫米、微米高分子支架結構和載細胞水凝膠結構，通過軟硬結合，實現整理的力學增強。復合材料法通過在水凝膠中復合納米纖維、顆粒，實現力學增強，而多交聯網絡法的典型代表是雙網絡水凝膠。不同的策略雖然實現了打印結構整理的力學增強，但并沒有改變所載細胞對直接接觸的材料微環(huán)境的要求，實際中，直接裝載細胞的材料相力學強度依然較低。

圖3 突破生物3D打印生物墨水的力學邊界：A-典型的打印超軟三維結構的策略，B-典型的打印超強力學性能三維結構的策略

三、展望新的流變學及力學邊界
1. 純細胞生物墨水
一般而言，生物墨水流變學研究都是圍繞水凝膠材料展開，然而生物材料并不是生物墨水的必須組分，這就衍生出一個新的生物墨水邊界：純細胞或高細胞濃度的生物墨水。這類生物墨水對于模擬組織級別細胞密度具有重要意義，目前已有研究直接采用純細胞懸液或微球作為生物墨水進行組織構建，并展現巨大潛力。

2. 動態(tài)力學性能生物打印結構
材料力學性能對細胞的影響更多的描述的是靜態(tài)性能，根據打印結構中細胞組織的生長需求，亟需響應性基質材料，能夠適應組織發(fā)生發(fā)展的動態(tài)過程。動態(tài)力學性水凝膠及生物墨水近年來也得到了極大關注，有望助力生物打印組織結構從“形似”到“神似”的轉變。

文章來源：
L. Ouyang*, Pushing the Rheological and Mechanical Boundaries of Extrusion-based 3D Bioprinting. Trends in Biotechnology (2022). https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.01.001