体素化生物3D打印技术为海藻酸盐生物墨水增添“buff”加成

来源： EngineeringForLife

体素是三维空间中的最小单位，类似于二维图像中的像素。在体素化生物打印中，体素可以是小的立方体或球形颗粒，它们是构成三维生物结构的基本元素。

什么是体素化生物打印技术呢？
体素化生物打印技术是一种先进的制造方法，它使用三维空间中的体素（voxel）作为基本构建单元来创建复杂的生物结构。这种技术在生物医学工程和组织工程中具有重要的应用潜力。

体素化生物打印技术如何增添“buff”加成？
（1）精确控制：体素化生物打印技术允许对每个体素的位置和体积进行精确控制，这有助于创建具有特定形状和功能的复杂三维生物结构。

（2）多材料打印：该技术能够处理多种材料，包括不同的生物墨水，这些墨水可以是细胞、生长因子或其他生物分子的载体。

（3）数字组装：体素化生物打印通常依赖于数字模型来指导打印过程，这意味着可以从计算机辅助设计（CAD）模型直接制造出三维生物结构。

（4）生物制造：体素化生物打印技术是生物制造领域的一个重要分支，它允许创建用于组织工程的支架、药物递送系统和生物假体等。

体素化生物打印技术的发展为生物医学领域带来了新的可能性，特别是在个性化医疗和再生医学方面，例如通过创建个性化的组织替代品或用于药物测试的复杂三维组织模型。随着技术的进步，未来可能会出现更多创新的生物打印应用。   

数字组装球形粒子（DASP）技术是体素化生物打印的一个例子，它通过在水凝胶中嵌入高粘弹性的水滴来创建三维结构。弗吉尼亚大学蔡历恒团队利用DASP 2.0技术，通过使用双网络（DN）结构的生物墨水，可以创建具有改进机械性能和可调性的水凝胶，这对于模拟自然组织的特性至关重要。

DASP 2.0技术通过设计和合成带有四氮唑（TZ）和降冰片烯（NB）基团的PAM聚合物，实现了无需添加剂的点击化学反应，形成网络结构。研究者们系统研究了交联动力学和刚度对NB/TZ比例及聚合物浓度的依赖性，并通过理论模型很好地描述了实验观察到的行为。此外，研究者们开发了多通道打印喷头，以实现高粘弹性生物墨水的按需混合，且不显著损害细胞活性。   

图1 由模块化双网络生物墨水制成的数字球形粒子组装(DASP)

DASP 2.0技术需要使用高粘度和剪切变稀的生物墨水，以确保在打印过程中，挤出的液滴能在具有屈服应力的支撑基质中均匀生长。通过剪切测试，研究者们发现单独的PAM10溶液和Alg2溶液的粘度不足以满足DASP打印的要求，但当它们结合形成生物墨水时，粘度显著增加到17.1 Pa·s，同时保持剪切变稀特性，适合DASP打印。为了避免快速交联导致的堵塞问题，研究者们设计了一个具有静态混合室的双入口打印喷头，通过实时监控验证了其混合能力。   

利用DASP 2.0技术，研究者们成功打印出了一个类似覆盆子的空心球结构，这个结构由单层相互连接但可区分的双网络水凝胶粒子组成，展示了DASP 2.0在体素化生物打印方面的先进能力。此外，研究者们还证明了DASP 2.0可以轻松转换为传统的一维（1D）基于丝材的生物打印，如成功打印的gyroid立方结构，这是一种高度多孔的结构，由相互连接的通道和空隙网络组成。

通过对双网络 gyroid结构进行循环压缩测试，研究者们发现它能够在不破裂的情况下承受高达60%的压缩应变，并且在释放应力后完全恢复到原始高度，显示出弹性、非耗散的行为，这在八个循环压缩过程中保持一致。这些结果表明，DASP打印的生物墨水能够制造出高度可变形、弹性、非耗散且具有多尺度多孔结构的支架，这些特性对于创建功能性的三维生物组织构建物具有重要意义。

图2 3D打印双网络（DN）水凝胶

DASP 2.0技术通过使用改进的双网络生物墨水和特制的三通道打印喷头，实现了细胞封装和三维多尺度多孔支架的打印，这些支架具有高效的营养传输能力和机械稳健性。利用Beta-TC-6细胞系进行的实验表明，DASP 2.0技术能够在打印过程中保持细胞的高存活率和功能，同时在体内环境中展现出卓越的长期稳定性和可回收性，证明了其在临床移植和生物医学研究中应用的巨大潜力。  

图3 DASP打印的聚丙烯酰胺/海藻酸盐(PAM/Alg)双网络支架的细胞相容性和体内稳定性

透明质酸/海藻酸盐双网络水凝胶的细胞相容性测试显示，封装的Beta-TC-6细胞在打印后三天的存活率保持在80%以上，这比PAM/海藻酸盐生物墨水的60%有显著提高，并满足了大多数应用的标准。此外，将DASP打印的HA/海藻酸盐双网络格子状支架移植到小鼠腹腔后，30天后取出的支架完整性得到了确认，表明这些支架具有足够的机械强度，能够维持长期的体内稳定性。这些结果表明，(A + B)/C水凝胶的概念为DASP打印提供了一种通用策略，用于开发模块化的双网络生物墨水。

图4 一种透明质酸/海藻酸(HA/Alg)双网络生物墨水的机械性能、可打印性和生物相容性

总体而言，本文介绍了DASP 2.0技术，一种创新的体素化生物打印方法，用于制造具有高度细胞相容性和机械稳健性的双网络（DN）水凝胶支架。DASP 2.0利用无添加剂点击化学反应，通过精确控制的生物墨水交联，实现了在三维空间中按需组装复杂的生物结构。虽然最初的PAM/海藻酸盐双网络生物墨水细胞相容性有限，但研究者们通过引入透明质酸（HA），一种更适合生物医学应用的天然多糖，克服了这一挑战。DASP 2.0技术为生物医学领域提供了一种新的工具，用于创建高度复杂且有序的三维组织结构，为组织工程和再生医学的应用开辟了新的可能性。


文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49705-z