7种生物打印系统

1 压力辅助生物打印

压力辅助系统随着越来越多的低成本系统商业化，生物打印正在变得商业化可用。这些系统通常配备带有一个或多个墨盒，允许分配不同的细胞和生物材料的组合。塑料或玻璃滤芯中填充了选定的生物材料墨水或生物墨水。通过施加气体压力，材料被弹出以灯丝的形式通过针头或喷嘴。在这种情况下，材料类型、气体压力、喷嘴直径和沉积速度通常定义分辨率。其中，高分辨率难以实现，随着剪切应力随着喷嘴直径的减小而增加，通常影响细胞活力。这些系统产生的平均股径从200μm到毫米不等。

2 热辅助生物打印

文献中报道的第一个生物打印研究是用热辅助生物打印进行的，其中对办公室喷墨打印机进行了修改，以允许分配细胞和生物材料。在这种按需液滴(DOD)技术中，使用电气元件产生热量，使元件附近的材料蒸发，形成液滴。这种汽化导致材料在一个小的毛细管通道中突然膨胀，促使材料液滴的形成和喷射。在生物打印过程中和打印后，热的应用会影响细胞的活力。这种技术的另一个缺点是可以处理的粘度范围有限。此外，当包括细胞时，还观察到沉淀和喷嘴堵塞热生物打印的分辨率通常与每个喷嘴喷出的体积有关，从皮升到纳升不等，对于含有细胞的生物打印链，分辨率低至100 μm。

3 压电辅助生物打印

压电材料在受到电刺激时通常会改变形状或大小。压电辅助生物打印技术使用压电元件，在变形时诱导小体积材料以液滴形式喷射。与热辅助生物打印类似，可以将皮升的液滴分配到纳升的体积。由于这种生物打印技术能够非常精确地分配纳升到皮升的液滴，因此通常用于制造微阵列和类似的筛选平台，最近还用于沉积胶质细胞和视网膜神经节细胞，而不影响细胞的生存能力其他系统，如基于电磁执行器的系统也已用于生物打印。在这些系统中，机械元件的位移诱导液滴形成，并且该元件可以通过与生物链接的直接接触或间接与弹性膜的变形来驱动。

4 声学生物打印

为数不多的无喷嘴技术之一是声学生物打印，将声波应用于液体以产生喷射液滴。这种技术可以精确地分配包在皮升液滴中的单个细胞声波或声镊子被用来精确地将细胞组织成特定的结构，甚至将细胞沉积在先前定位的细胞上位移的速度相对较慢，需要进一步的改进来定位组成组织的大量细胞。声波技术或许可以精确控制细胞的位置，但这些技术在3D结构中的应用尚未实现。

5 磁辅助生物打印

应用永磁体或苦电磁铁来产生磁场已被广泛用于控制阵列或磁场较强的位置的细胞图案。为了通过应用磁场控制细胞或细胞球体，需要事先用磁性纳米颗粒或应用顺磁流体对细胞进行标记。借助磁辅助生物制造组件，已经可以创建3D结构或单细胞图案 (根据使用的方法和磁场)。随着这些技术的成熟，类似的方法可以在生物打印过程或生物后打印过程中通过磁场组合来对细胞进行图案化。这一点还没有被研究，但它可以开启在整个生物打印过程中控制细胞的可能性，甚至可以促进制造后刺激的可能性(例如，通过施加磁场来控制干细胞的命运)。

6 光辅助生物打印

一些基于光辅助生物打印的初始系统也被称为立体光刻(SLA)。在SLA技术中，使用了两种不同的类型:激光或光源系统，如数字光处理(DLP)。激光系统诱导光敏材料逐点选择性交联，而DLP系统使用动态镜像阵列，选择性地将光投射到区域中，以交联每层指定的所有点。其他几种基于光的系统已经开发出来，例如，将基于压力的生物打印与在挤压时交叉连接材料的发光二极管(led)结合起来。

其他激光辅助生物打印系统用于选择性地分配类似于DOD的生物墨水，而不是选择性地交联材料。这些激光技术被称为激光诱导前向转移(LIFT)，其中快速脉冲激光束聚焦在先前涂有吸收层的玻璃载玻片的一点上，该吸收层蒸发并诱导液滴形成。吸收层还包含一层载满细胞的水凝胶形成的生物墨水液滴喷射到先前涂有水凝胶层的收集玻璃载玻片上，以尽量减少影响。生物打印结构是由具有预先设计图案的液滴逐层沉积形成的，直到获得3D结构。激光辅助生物打印是另一种无喷嘴技术，它避免了在其他技术中通常观察到的细胞剪切应力。

双光子聚合(2PP)也是一种光辅助生物打印技术，通过选择性照射体素实现高精度交联。2PP系统将感兴趣的体素依次交联，直到获得三维结构。由于2PP可能的高分辨率，构建时间相当长，并且通常获得的构建尺寸范围在几百微米到几毫米之间。2PP主要用于制造后植入细胞的3D支架，最近才有研究报道细胞直接嵌入树脂中

新的SLA系统，也被称为体积SLA，能够通过结合树脂桶的旋转和DLP投影仪或激光光源，以同步的方式选择性地投射光，以快速的方式交联一个体积或3D物体。这项技术最近被用来证明这种新方法的能力，通过在总光照时间低于1分钟的情况下，将细胞交联在液体树脂中来生产生物打印结构。虽然这项技术可以实现更快的批量生产，但目前还无法实现对细胞空间分布的控制。

7 微流体生物打印

微流体技术是20世纪50年代开始的一项历史悠久的技术，已被广泛应用于几个领域，特别是TERM，其中细胞和生物材料可以在高度限定和控制的条件下培养精确控制流体流动的可能性确保层流状态，使研究人员能够高精度地研究细胞环境，同时减少所需试剂的体积。最近，生物打印采用了微流体芯片概念作为点胶头。有了这个，就有可能设计出新型的生物打印系统，可以精确地处理和分配低粘度材料与细胞相结合。微流体生物打印的优点之一是它基于成熟的技术，不同头部的开发很简单。此外，通过用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备打印室，可以制造一次性微流控打印头。一些商业化的生物打印机已经采用了微流控点胶技术。

参考文献：

Mota C, Camarero-Espinosa S, Baker MB, Wieringa P, Moroni L. Bioprinting: From Tissue and Organ Development to in Vitro Models. Chem Rev. 2020 Oct 14;120(19):10547-10607.