液滴式生物3D打印,，在細(xì)胞級(jí)別精確操控生物材料和細(xì)胞

來源：EngineeringForLife

生物打印技術(shù)近年來迅速發(fā)展，成為再生醫(yī)學(xué),、組織工程和藥物研發(fā)等領(lǐng)域的關(guān)鍵工具。其中，滴液式生物打�,。―roplet-based Bioprinting, DBB）因其能夠在細(xì)胞級(jí)別精確操控生物材料和細(xì)胞，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。然而,，該技術(shù)在生物墨水的粘度范圍、細(xì)胞濃度,、打印精度以及可重復(fù)性等方面仍面臨挑戰(zhàn),。因此，深入探討DBB的技術(shù)原理,、優(yōu)化策略及其應(yīng)用前景,，對(duì)于推動(dòng)生物打印技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

基于此,，來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的Ibrahim T. Ozbolat團(tuán)隊(duì)全面介紹了滴液式生物打�,。―roplet-based Bioprinting, DBB）技術(shù),，包括其技術(shù)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)置,、生物墨水選擇,、打印參數(shù)優(yōu)化以及在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。相關(guān)綜述論文以“Droplet-based bioprinting”為題于2025年4月24日發(fā)表在《Nature Reviews Methods Primers》上,。

1.DBB技術(shù)：生物打印新勢(shì)力
生物3D打印旨在利用生物材料與細(xì)胞構(gòu)建三維結(jié)構(gòu),，而DBB憑借細(xì)胞級(jí)操控精度與高通量構(gòu)建能力脫穎而出。它能將生物墨水精準(zhǔn)“噴灑”成微滴,，在培養(yǎng)皿上按預(yù)設(shè)模式層層堆疊,，最終形成復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)擠出式生物打印相比,，DBB對(duì)細(xì)胞造成的剪切應(yīng)力更小,，細(xì)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(gòu)建異質(zhì)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(shí)驗(yàn)裝置，包括生物墨水存儲(chǔ)器,、噴頭,、壓力控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),、高速攝像機(jī),、軟件和環(huán)境控制系統(tǒng)等。這些組件協(xié)同工作,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴生成和噴射的精確控制,。

圖1 典型的基于液滴的生物打印實(shí)驗(yàn)裝置

作者總結(jié)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�,。‥BB）使用氣動(dòng)活塞或螺旋進(jìn)給機(jī)構(gòu)產(chǎn)生生物墨水的連續(xù)流,；DBB和激光生物打印（LaBB）產(chǎn)生生物墨水的液滴,，其中LaBB利用聚焦在吸收層上的激光產(chǎn)生壓力,，將生物材料移動(dòng)到接收表面；光基生物打�,。↙iBB）利用圖案化光刺激光交聯(lián)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(dú)特的液滴生成機(jī)制和應(yīng)用場景。

圖2 生物打印模式

3.生物墨水的選擇與特性
DBB的實(shí)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(tǒng)中順暢流動(dòng)，防止堵塞,，確保液滴大小均勻,、穩(wěn)定；同時(shí)又要具備高機(jī)械強(qiáng)度,，為打印結(jié)構(gòu)提供支撐。此外,，生物墨水還應(yīng)具備rheopectic行為,，即在噴射時(shí)受應(yīng)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(jié)構(gòu)直至足夠組織形成,；要能穩(wěn)定形成液滴并與基底相互作用,，使3D構(gòu)造與設(shè)計(jì)契合；必須促進(jìn)細(xì)胞活性與增殖,，保護(hù)細(xì)胞免受機(jī)械,、熱應(yīng)力，化學(xué)作用,，蒸發(fā)以及溫度與pH波動(dòng)影響,。

常見的生物墨水包括細(xì)胞外基質(zhì)（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�,；�明膠等,。海藻酸鹽成本低廉、生物相容性好,，低濃度時(shí)生物打印性能優(yōu)異,，凝膠速度迅速且彈性適中，無免疫原性,。纖維蛋白支持細(xì)胞生長,，可用于傷口愈合領(lǐng)域。膠原蛋白是ECM的天然組分,，在生理?xiàng)l件下易交聯(lián),，適用于皮膚、軟骨、神經(jīng)與血管組織的生物打印,。

4.DBB工藝優(yōu)化
DBB的精度與質(zhì)量受多種因素影響,，工藝優(yōu)化至關(guān)重要。在此部分,，作者主要總結(jié)了三點(diǎn)：

（1）控制軟件與參數(shù)調(diào)節(jié)：軟件需同步控制噴頭運(yùn)動(dòng),、液滴噴射與相機(jī)系統(tǒng)。關(guān)鍵參數(shù)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(qū)動(dòng)參數(shù)等,。通過調(diào)整這些參數(shù),，可精準(zhǔn)控制液滴的形成、飛行軌跡,、基底相互作用以及交聯(lián)過程,。

（2）液滴可視化技術(shù)：采用高速相機(jī)與激光束，對(duì)飛行中的液滴進(jìn)行實(shí)時(shí)成像,，分析液滴的直徑,、縱橫比、速度,、是否含有衛(wèi)星液滴等參數(shù),，以優(yōu)化打印參數(shù)，提升打印質(zhì)量,。

（3）基底選擇與處理：基底在DBB過程中起著至關(guān)重要的作用,。圖3展示了DBB對(duì)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(xì)胞密度和高細(xì)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(huì)顯著影響液滴的鋪展,、濺射行為,，進(jìn)而影響打印結(jié)構(gòu)的精度與功能。

同時(shí)，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(lián)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(wèi)星液滴,，再到液滴在基底上鋪展、沉積或發(fā)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(lián)的多種方式，包括化學(xué)交聯(lián),、物理交聯(lián)、光交聯(lián)和熱交聯(lián)等,，這些方法通過化學(xué)反應(yīng)或物理作用使液滴固化,，形成穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)（圖5）。對(duì)深入理解液滴形成,、相互作用及交聯(lián)機(jī)制,，優(yōu)化DBB工藝參數(shù)、提升打印質(zhì)量和效率具有重要意義,。

圖3 各種基于液滴的生物打印模式對(duì)特定要求的適用性

圖4 液滴形成和與基底的相互作用

圖5 不同的交聯(lián)方法

5.液滴特性和打印保真度
DBB打印精度和形狀保真度的評(píng)估方法涵蓋了重復(fù)打印方形網(wǎng)格評(píng)估打印機(jī)精度,、測(cè)量液滴直徑和間距評(píng)估液滴均勻性、利用高速攝像機(jī)和激光束測(cè)量液滴速度和質(zhì)量,、以及評(píng)估細(xì)胞封裝效率和細(xì)胞活性等方面（圖6）,。這些評(píng)估手段為DBB的打印質(zhì)量提供了全面的量化依據(jù)，幫助研究人員深入了解打印過程中液滴的行為,，進(jìn)而優(yōu)化打印參數(shù),，提升打印結(jié)構(gòu)的精度和保真度，確保最終的生物打印構(gòu)造能夠滿足設(shè)計(jì)要求和功能需求,。

圖6 液滴特性和打印保真度

6.DBB在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用
最后,，作者展示了DBB在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用實(shí)例（圖7），包括打印腎細(xì)胞以形成具有可灌注管腔的腎小管樣結(jié)構(gòu),，助力器官芯片開發(fā),；精準(zhǔn)打印單細(xì)胞以研究細(xì)胞在特定微環(huán)境中的分化和遷移行為；利用雙噴嘴系統(tǒng)構(gòu)建包含腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞的腫瘤微環(huán)境模型,；在手術(shù)中直接對(duì)皮膚缺陷進(jìn)行原位生物打印以促進(jìn)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(yīng)用展示了DBB技術(shù)在組織工程、疾病建模,、藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛潛力,，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療提供了新的解決方案和工具。

圖7 基于液滴的生物打印的應(yīng)用領(lǐng)域

盡管DBB技術(shù)取得顯著進(jìn)展,，但仍面臨諸多挑戰(zhàn),。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(yīng)用,；噴嘴易堵塞,，影響打印連續(xù)性與穩(wěn)定性；細(xì)胞在墨水中的分布與包裹精度有待提高,，且細(xì)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(chuàng)新解決方案,。一方面,，開發(fā)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(yōu)化打印設(shè)備與工藝參數(shù)，提升打印精度與效率,；同時(shí),，加強(qiáng)跨學(xué)科合作，融合機(jī)械工程,、材料科學(xué),、生物學(xué)等多領(lǐng)域知識(shí)，共同推動(dòng)DBB技術(shù)邁向新高度,。

展望未來,，DBB技術(shù)有望在自動(dòng)化、人工智能集成以及多模態(tài)融合等方面實(shí)現(xiàn)重大突破,，進(jìn)一步提升生物制造的智能化水平,，助力構(gòu)建更精準(zhǔn)、復(fù)雜的生物系統(tǒng),，為人類健康事業(yè)創(chuàng)造更大價(jià)值,。圖8展示了基于人工智能的DBB參數(shù)優(yōu)化過程，通過實(shí)時(shí)分析液滴特征,，自動(dòng)調(diào)整打印參數(shù),，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴特性的精確控制。這一技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步提升DBB的打印質(zhì)量和效率,，為未來生物制造的智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ),。

圖8 液滴的原位圖像和視頻分析

參考資料：https://doi.org/10.1038/s43586-025-00394-y