山東大學陳壯&燕山大學 | FRESH打印具有可調彈性模量和孔隙率的復雜生物結構

來源：生物設計與制造

目前，三維（3D）生物打印已被廣泛用于構建硬組織，如骨骼和軟骨。然而，構建具有復雜結構的軟組織仍然是一個挑戰(zhàn)。FRESH打印方法可以克服重力對打印結構的影響，有望成為制備復雜軟組織的關鍵手段。本研究以海藻酸鹽和明膠作為墨水基底，通過FRESH方法進行載細胞打印。首先，設計并制備了具有可調孔隙率和機械性能的生物墨水，通過FRESH方法在明膠顆粒支撐浴中進行擠出打印。使用流變儀測量墨水的流變性能對打印性進行了分析，并通過模擬進一步分析了油墨的擠出狀態(tài)。此外，力學測試結果和微觀形貌分別顯示出打印結構具有可調的彈性模量和孔隙率。通過對FRESH工藝進行優(yōu)化，實現了一系列復雜結構的打印。最后使用L929成纖維細胞進行載細胞打印，細胞在7天培養(yǎng)中表現出高的活力和良好的增殖特性。所有結果表明，設計的生物墨水具有良好的生物和機械性能，并且可以通過添加細胞相容性材料進一步提高細胞活力，在軟組織的打印中顯示出良好的潛力。

圖1 具有可調彈性模量和孔隙率組織的FRESH打印流程。(a) 生物墨水單體材料；(b) 生物墨水材料的制備；(c) FRESH 3D生物打印工藝；(d) 保存在支撐浴中的打印結構；(e) 支架在37 °C時從支撐浴中釋放；(f) 水凝膠微觀結構的示意圖。FRESH：懸浮水凝膠的自由形式可逆嵌入

圖2 生物墨水的流變學特性測試。(a) 流變試驗示意圖；(b) 含有2%、4%和6% (0.02、0.04和0.06 g/mL) 明膠的生物墨水在加熱和冷卻過程中的凝膠動力學曲線。圖例：實心表示G′，空心表示G′′，W表示加熱，C表示冷卻，數字表示明膠濃度；(c) 在37 °C下三次高 (1000 s−1) 、低(0.01 s−1)剪切速率循環(huán)；(d) 在37 °C下的剪切掃描實驗；(e) 生物墨水在針頭中流動的速度場；(f) 針頭中不同半徑位置下三種墨水濃度的剪切應力

圖3 明膠濃度為(a) 2%(0.02 g/mL)、(b) 4%(0.04 g/mL)、(c) 6%(0.06 g/mL)和(d) 8% (0.08 g/mL)時水凝膠的微觀形貌

圖4 FRESH打印復雜結構。(a) 對打印的圓管進行重復壓縮實驗；(b) 對打印的細長管進行灌注實驗；(c) 設計并打印實體“SDU”模型，尺寸為16.8 mm×7.08 mm×2.00 mm，比例尺：1 mm

圖5 細胞免疫熒光染色。在細胞培養(yǎng)的第1天(a)和第7天(b)，使用AM/PI對細胞進行免疫熒光染色。比例尺：200 μm。AM：乙酰氧基甲酯；PI：碘化丙啶