3D生物打印生物墨水选择指南

何为3D生物打印？

3D生物打印通过设计具有类组织复杂性的解剖形状基底，能够生成精确可控的3D细胞模型和组织结构。由于结构和成分高度可控，3D 生物打印有望满足许多医学研究未竞的关键需求，可能应用于化妆品测试、药物发现、再生医学和功能性器官替代等领域。¹ 可 使用来自患者的各类干细胞创建个性化疾病模型，如诱导多能干细胞（iPS 细胞）或间充质干细胞。根据应用不同，可以使用一系列材料、方法和细胞获取所需的组织构建体（图1）。如需更多深入信息，包括有关3D生物打印、操作方案和相关产品的专家评论文章，请浏览我们的 3D生物打印手册。

何为生物墨水？

生物墨水包含活细胞和模拟细胞外基质环境的生物材料，可在打印后为细胞粘着、增殖和分化提供支持。与传统3D打印材料相比，生物墨水必须具有以下特征：

• 打印温度不超过生理温度
• 交联或凝胶条件温和
• 生物活性成分无毒，打印后能够被细胞修饰

用于挤出式生物打印的生物墨水：细胞封装水凝胶

细胞封装水凝胶用于3D生物打印，通过形成多细胞生物打印构件创建活体组织结构。相对于其他方法和材料，细胞封装可精确控制支架内的细胞粘附以及细胞和生物分子的空间分布。¹通过以指定模式组合多种细胞类型和生长因子，可生成高度复杂的细胞。³除了生物相容性之外，用于细胞封装的生物打印材料还必须兼具高含水量和孔隙率，支持封装细胞接收营养物质并清除废物。¹水凝胶是遇水膨胀的多孔网络结构，因而是细胞封装 、组织工程和3D生物打印应用的理想材料。用于3D、生物打印的水凝胶还必须具有可调节的基材刚度，支持打印后进行网络重塑，以便细胞扩散、迁移、增殖和相互作用。⁹虽然生物墨水使用了多种材料，但最通用的材料包括明胶甲基丙烯酰醇 (GelMA)、胶原蛋白、聚乙二醇 (PEG)、Pluronic^®、藻酸盐和脱细胞细胞外基质 (ECM) 材料（表 1）。

脱细胞材料：结构支架和聚合物

除生物墨水之外，脱细胞材料还用于 3D 生物打印结构。²脱细胞材料通常为组织构建体提供结构支撑——与生物墨水一起使用时，可形成功能性生物打印组织。脱细胞材料是多孔结构，兼具天然细胞外基质 (ECM)4 的机械和生化特性⁴。孔隙使这些结构构建体中的细胞可以进行迁移、组织生长、血管形成并维持细胞活力。⁶此外，脱细胞材料还必须具有支持细胞粘附、增殖和分化的表面化学性质。⁵流行的脱细胞材料包括：胶原蛋白、纤维蛋白 、壳聚糖、纳米纤维素、聚乳酸 (PLA)、聚己内酯 (PCL)、碱式磷酸钙(HA) 和 β-磷酸三钙 (β-TCP)（表 1）。

应该选用哪一种3D生物打印方法？

根据所选墨水类型（生物墨水或脱细胞材料）和最终组织构建的复杂程度，可选用不同的 3D 打印方法（图 1）。常用打印方法的优缺点参见下表（表2）。

除了墨水类型之外，生物打印方法还取决于打印结构的最终应用（表 3）。

结论

3D生物打印可在指定的3D微环境中空间可控地铺板细胞。通过细胞和各种生物相容性材料混合可制成生物墨水，随后可将此墨水打印成特定形状，形成类组织的3D结构。我们融合了自身在材料科学和细胞生物学方面的专业知识，提供各种简化3D生物打印工作流程的解决方案。