生物打印是活细胞和组织的打印。这是一项很有前途的技术，希望有朝一日可以通过从患者自己的细胞中培养器官来解决器官供体短缺的问题。然而，打印活组织和细胞极其复杂，需要克服许多障碍才能实现。下面重点介绍UMCUtrecht最近的三项创新，这将有助于使生物打印更具临床相关性。

将生物制造提升到一个新的水平体积生物打印的创新

与3D生物打印的第一个关联是“经典”3D打印或塑料丝挤出打印。这在过去15年左右的时间里变得非常有名，甚至可以在家中使用非处方打印机。原则上，应该可以用不同种类的细胞代替塑料和打印的生物功能组织。但要实现这一点，就必须制造出高度精细和差异化的组织：即使是一立方毫米的器官组织也需要毛细血管，因此如果我们想制造我们需要的功能性组织，打印机的门槛就很高可以在临床相关规模上植入。

随着生物墨水的发展，3D挤压生物打印成为可能。新的喷嘴、营养墨水和预制支架使细胞更容易在这个过程中存活下来。通过同时使用各种墨水，可以沉积不同种类的细胞，从而创造出组织。但是，逐层打印仍然需要很长时间;多立方厘米的物体需要几个小时。细胞很可能在此过程中死亡。此外，挤压打印需要能够承受重力，因此墨水需要坚固，这意味着它们对细胞不是很友好。

为了克服这种缓慢且依赖于重力的过程，生物打印也采用了体积打印。在这个过程中，一个装有特殊凝胶的旋转小瓶暴露在激光下。激光灯的位置击中，光敏凝胶会迅速凝固。这意味着通过激光3D光重建，可以在几秒钟内创建多个立方厘米的复杂形状。现在，虽然这解决了速度和重力的问题，但它也有其自身的缺点。以这种方式，这些光敏凝胶只能包含悬浮的细胞，因此很难控制哪种类型的细胞最终到达何处以及其中的数量。而且由于凝胶很硬，细胞很难移动、伸展和相互交流，而这对于组织的形成甚至功能至关重要。

在乌得勒支再生医学中心，研究人员不断努力克服这些挑战，发表在先进材料技术、bioRxiv预印本服务器和先进材料上的三篇新论文分别解决了以下问题的一部分上述挑战。

创新1：在印刷品中创建生物功能区域

体积生物打印技术可以在几秒钟内打印出几厘米大小的物体，为细胞打印提供了多种可能性。该过程的速度与凝胶的细胞友好性相结合是巨大的优势。然而，当打印完成后，细胞可能不会准确地放置在需要它们的位置，也不可能改变凝胶来帮助细胞的发育、生长或特化以产生功能性组织。因此，克服这个障碍很重要，因为在我们的身体中，细胞知道去哪里和留在哪里，跟随它们在特定区域或组织中感知到的信号。

为了能够在初始印刷过程后对印刷品进行化学变化，研究人员研究了凝胶的孔隙率，以及其中与凝胶中其他分子结合的化合物。“通过这种技术，可以在几分钟内以高空间分辨率将生物分子移植到我们的打印结构上，”AdvancedMaterialsTechnologies的第一作者MarcFalandt论文解释。“首先，我们用体积打印机打印基于明胶的结构，然后通过将这些结构注入生物分子和光引发剂，我们可以在明胶结构内创建复杂的3D模型。这种方法让我们可以三维控制你想要的位置生物分子被捕获。这在以前是不可能的。”

通过这项创新，现在可以创建体积打印，可以将生长因子或生物活性蛋白“涂”在任何所需的3D形状中。例如，引导血管方向和形成的信号分子可以以这样一种方式放置，即它们创建一条轨迹，仅在3D打印对象内部需要的地方和时间吸引新血管。

然后，这些信号可以吸引正确的细胞，或帮助干细胞发挥其再生潜能。Falandt说，“这项工作真正迈出了开发和表征智能材料的第一步，这些材料允许在3D中进行生化编辑。结合快速体积生物打印技术，这种方法对于创建生物制造支架非常有前途，可以指导细胞行为和发育。它可以让我们用我们的3D生物打印密切模拟天然组织和器官的复杂生化环境。”

创新2：颗粒状凝胶意味着打印电池的两全其美

对于成功制造的组织，需要精心呵护打印的细胞，以便在成品中存活并茁壮成长。如果它们要形成一个功能性组织，它们就需要能够生长、移动并相互交流。

已经尝试了各种印刷策略来解决这个问题，它们各有利弊。在3D挤压打印中，可以沉积多种类型和大量的细胞，但这个过程需要很长时间，会对细胞造成机械应力并且依赖于重力——所有这些都不利于细胞的存活和功能。通过快速体积生物打印，速度和重力可能已经得到解决，但这里的挑战是细胞随机分布在树脂中且数量较少，并且由于最终打印由固体树脂组成，因此细胞无法正常运作和通信.

为了解决这个问题，用于生物打印的材料必须提供允许细胞自组织和通信的环境。虽然这通常可以通过软水凝胶实现，但确保这些材料的高印刷分辨率和形状保真度仍然是一个关键瓶颈，尤其是在使用传统的逐层制造技术时。

在bioRxiv预印本服务器上发布的一篇文章中，第一作者DavideRibezzi探讨了使用颗粒树脂来克服这些挑战。“颗粒凝胶基本上是凝胶微粒紧密堆积在一起，”Ribezzi说。“虽然每个微粒都具有与其散装水凝胶对应物相当的特性，但可以设计和定制填充的微凝胶颗粒以显示广泛的附加有用特性。”因此，利用颗粒生物材料是一种很有前途的策略，可以解决印刷过程中与大块细胞封装和材料可加工性相关的缺点。

颗粒状树脂确实让研究人员能够将挤出和体积印刷结合起来。使用挤压印刷，某些细胞或其他化学物质可以专门沉积在树脂中。这种方法优化了体积打印速度与挤出打印精度之间的平衡。凝胶在打印喷嘴周围移动，就像奶油冻围绕侵入手指一样，因此细胞可以快速放置在多层中，而不必担心结构的强度。然后，体积印刷可以通过在挤压单元周围创建和细化形状来完成该过程。

这个过程并非没有挑战。Ribezzi说，“处理生物材料总是需要大量的关注和精心的实验计划。但在我们的研究中，我们利用微凝胶的热特性，从而可以精确调整机械和光学特性。这转化为可调刺激由嵌入的细胞感知。然而，这种更高程度的调整需要在打印过程中更高程度的关注和精确度。”

细胞实验证实，颗粒状树脂在印刷后具有更多的生物活性，大大优于固体凝胶。在被打印到树脂中的八天内，干细胞能够扩散得更多，上皮细胞产生更多的连接，神经元样细胞彼此之间建立更多的连接。

Ribezzi说：“对于未来的研究，我们设想混合甚至局部图案化从不同材料中获得的微凝胶。这将使我们能够创建具有独特特性的复合结构，或者具有释放例如药物的生物活性口袋。这些工具将提高组织功能，为组织工程、再生医学和工程生物材料的新兴领域开辟了更多机会。”

创新3：结合生物打印技术追求功能性血管

体积生物打印是一种快速技术，可使细胞在打印过程中存活下来。然而，由于这种类型的印刷是在对细胞友好的凝胶中完成的，因此产生的印刷品在结构上不是很健全。对于必须能够承受高压和弯曲的印刷血管来说，这是一个问题。出于这个原因，追求体积生物打印和熔化电写的合并。

熔体电写是一种高度精确的3D打印类型，它通过引导熔融(可生物降解)塑料的细丝来工作。它能够生产出机械强度高且能够承受力的复杂支架。这里的缺点是它们不能直接在其中打印电池，因为涉及高温。因此，这里使用体积生物打印将载有细胞的凝胶固化到支架上。

该过程从使用熔体电写创建管状支架开始。然后将其浸入装有光敏凝胶的小瓶中，并放置在体积生物打印机中。原则上，打印机的激光可以选择性地固化位于支架内、支架上和/或周围的凝胶。“为了做到这一点，我们必须将支架恰好放在小瓶的中心，”第一作者GabriëlGrößbacher在AdvancedMaterials论文中说。“任何偏离中心的地方都意味着体积打印会偏移。但我们通过在安装在小瓶上的心轴上打印支架，设法将其完美地居中。”

(creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。139版权所有2019，Wiley-VCH出版(10.1002/adma.202300756)

在这项研究中，Größbacher及其同事测试了不同厚度的支架，这导致了或多或少坚固的管子。最后，他们还测试了生物打印凝胶的各种放置方式。这些可以放置在脚手架的内侧、脚手架本身内部或外部。通过使用两种不同标记的干细胞，该团队能够打印出具有两层干细胞的原理证明血管，并在中心种植上皮细胞以覆盖血管腔。

该设计还可以允许在印刷品的侧面打孔，从而有可能控制血管的渗透性，使血液发挥其功能。最后，研究人员还创造了更复杂的结构，如分叉血管，甚至是带有静脉瓣膜的血管，这些静脉瓣膜可以维持单向流动。

Größbacher说：“这是对原理研究的证明。我们现在需要做的是用作为真实血管一部分的功能细胞替换干细胞。这意味着在上皮细胞周围添加肌肉细胞和纤维组织。我们的目标现在是打印功能性血管。”

虽然这三项创新为推动生物打印技术的发展提供了有趣的选择，但如果它们可以结合和扩展，效果会最好。小组负责人RiccardoLevato表示：“能够将生物活性分子打印成使用颗粒状凝胶的印刷品意味着细胞可以更好地利用分子信息，并与邻近细胞一起生长和发育成组织。”