带有雾滴打印头的3D打印水凝胶生物墨水最新研究

南极熊导读，3D生物打印是一种在体外生产活体组织流行的方法，可应用于各种组织工程。基于液滴的生物打印 (DBB) 具有生物打印模式中最高分辨率。然而，由于打印过程仅与低粘度生物墨水兼容，DBB的使用受到限制。为了克服这个困难，科研人员发现了新的解决方案。

2022年5月14日，南极熊获悉，最近发表在Bioprinting杂志上的一篇文章中，研究人员讨论了离子交联水凝胶生物墨水，与基于雾的打印头的基于液滴的生物打印。使用的形式与以前基于液滴的生物打印方法完全相反。

如需获得原文更多信息：Badr, S.、MacCallum, B.、Madadian, E. 等人。《开发用于离子交联水凝胶生物墨水的基于液滴的生物打印的基于雾的打印头》（点我传送门）

生物打印e00207(2022)。https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2405886622000173

关于科研背景
目前，暴露于离子交联剂和热调制是已研究的两种交联生物墨水液滴的方法。但打印阶段交联剂的堆积使液滴和结构的精确定位变得困难，这对打印结构的形状保真度产生了负面影响。

为了克服这个问题，一项新发现涉及喷射生物墨水和交联剂液滴，多余的交联剂通过打印台下方的吸收性组织聚集。由于过度凝胶化和液滴扩散，这些基于液体的交联技术具有较差的分辨率和层粘附性。为了确保足够的形状保真度和层粘附性，需要更好的机制来控制交联速率。

△开发新型的基于液滴的打印头示意图。图片来自Shutterstock

关于研究
在这项研究中，作者讨论了一种用于离子交联水凝胶生物墨水3D生物打印机的新发现。新技术在打印头内提供了雾状交联剂。开发一种消除打印头内过量雾气的装置，可最大限度地减少由于打印阶段液体收集，解决支架不稳定性。未来，打印头可用于商业使用，并提供共液滴附着力和良好的液滴凝胶作用。

该团队研究了采用不同雾化输送速率的交联结构，以及溶胀和可打印性。此外，还研究了喷雾出口压力、打印头高度和打印头通道直径等，对喷雾分布和打印头内凝胶化速率的影响。还使用高速成像研究了液滴速度，和雾浓度对液滴撞击表面动力学的影响。

研究人员开发了一种独特的生物打印技术，可以在沉积到打印台之前，以受控形式交联生物墨水液滴。使用与天然细胞外基质(ECM)非常相似的水凝胶生物墨水，评估了基于雾的DBB系统的性能。

△液滴凝胶化对形状保真度和共液滴附着力的影响。图片来自Bioprinting

实验观察
在1250、1000和1500 mL/min雾化入口流速下，交联的支架的膨胀率分别为1101%、1003% 和1100%。第3天，对照和浓度为3wt%、2wt%和1wt%，平均存活率分别为99%、98%和 97%。在第4天，活力水平低于第3天，并且1wt%的海藻酸钠生物墨水具有最大的活力。

1000 mL/min最低流速的压缩模量为17.80 kPa，而1500 mL/min的最大流速为25.90 kPa。同时，1250、1750和1500毫升/分钟的雾气交联支架的适印性值，分别为0.83 ± 0.06、0.63 ± 0.34和0.34 ± 0.42。当使用40wt% CaCl 2雾溶液代替10 wt%雾溶液时，扩散因子降低了12%。

证明可以通过改变雾供给速度来调节凝胶化速度
薄雾输送率影响3D打印结构的形状保真度和机械质量。设计的打印头生产的结构具有高细胞存活率和低细胞毒性。基于液滴的生物打印，可用于创建用于器官和组织再生的生物相容且复杂的支架。

雾气流量对3D打印结构的机械特性和形状保真度有影响
将生物墨水液滴暴露在打印头内，调节交联剂雾流，然后收集打印头内的雾，以抑制交联剂在打印阶段的积累，从而控制凝胶化，从而获得良好的层粘附性和形状保真度。

打印的构建体被证明表现出良好的细胞活力和低细胞毒性
此外，通过改变印刷参数，可以调整胶凝过程，包括除雾压力、打印头高度和打印头通道直径。可以通过改变液滴冲击速度和雾浓度来调整液滴碰撞动力学。

△示意图：3D打印模型模拟了功能性肺，其气道能够为红细胞提供氧气。 图片来自Jordan Miller Rice

实验结论
这项研究阐明了在打印过程中，DBB系统使用基于雾的打印头附件来交联水凝胶液滴。使用与CaCl 雾交联的海藻酸钠打印支架，在液滴和层之间具有良好的凝胶化和粘附性。雾浓度依赖于打印参数，例如出口压力和从打印台到打印头的高度。

作者强调，这种方法可用于各种需要不同凝胶速度的打印材料或应用。他们还提到这种3D打印结构具有生物相容性，这意味着该支架可用于打印器官和组织。