山东大学陈壮&燕山大学 | FRESH打印具有可调弹性模量和孔隙率的复杂生物结构

来源：生物设计与制造

目前，三维（3D）生物打印已被广泛用于构建硬组织，如骨骼和软骨。然而，构建具有复杂结构的软组织仍然是一个挑战。FRESH打印方法可以克服重力对打印结构的影响，有望成为制备复杂软组织的关键手段。本研究以海藻酸盐和明胶作为墨水基底，通过FRESH方法进行载细胞打印。首先，设计并制备了具有可调孔隙率和机械性能的生物墨水，通过FRESH方法在明胶颗粒支撑浴中进行挤出打印。使用流变仪测量墨水的流变性能对打印性进行了分析，并通过模拟进一步分析了油墨的挤出状态。此外，力学测试结果和微观形貌分别显示出打印结构具有可调的弹性模量和孔隙率。通过对FRESH工艺进行优化，实现了一系列复杂结构的打印。最后使用L929成纤维细胞进行载细胞打印，细胞在7天培养中表现出高的活力和良好的增殖特性。所有结果表明，设计的生物墨水具有良好的生物和机械性能，并且可以通过添加细胞相容性材料进一步提高细胞活力，在软组织的打印中显示出良好的潜力。

图1 具有可调弹性模量和孔隙率组织的FRESH打印流程。(a) 生物墨水单体材料；(b) 生物墨水材料的制备；(c) FRESH 3D生物打印工艺；(d) 保存在支撑浴中的打印结构；(e) 支架在37 °C时从支撑浴中释放；(f) 水凝胶微观结构的示意图。FRESH：悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入

图2 生物墨水的流变学特性测试。(a) 流变试验示意图；(b) 含有2%、4%和6% (0.02、0.04和0.06 g/mL) 明胶的生物墨水在加热和冷却过程中的凝胶动力学曲线。图例：实心表示G′，空心表示G′′，W表示加热，C表示冷却，数字表示明胶浓度；(c) 在37 °C下三次高 (1000 s−1) 、低(0.01 s−1)剪切速率循环；(d) 在37 °C下的剪切扫描实验；(e) 生物墨水在针头中流动的速度场；(f) 针头中不同半径位置下三种墨水浓度的剪切应力

图3 明胶浓度为(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)时水凝胶的微观形貌

图4 FRESH打印复杂结构。(a) 对打印的圆管进行重复压缩实验；(b) 对打印的细长管进行灌注实验；(c) 设计并打印实体“SDU”模型，尺寸为16.8 mm×7.08 mm×2.00 mm，比例尺：1 mm

图5 细胞免疫荧光染色。在细胞培养的第1天(a)和第7天(b)，使用AM/PI对细胞进行免疫荧光染色。比例尺：200 μm。AM：乙酰氧基甲酯；PI：碘化丙啶