生物墨水：3D组织生物打印的基石

生物墨水是3D组织生物打印技术的核心组成部分。生物墨水通常由生物材料（如水凝胶聚合物）与所需的细胞和/或其他生物大分子（例如生长因子）混合而成。为了成功地进行组织生物打印，生物墨水必须满足以下要求：

生物相容性和生物活性：生物墨水必须与相关的细胞具有良好的生物相容性和生物活性，以支持细胞功能和组织再生。

可沉积性：生物墨水必须能够通过生物打印技术进行沉积，例如挤出或喷墨。

形状适应性：生物墨水必须能够形成所需的形状和结构。

机械稳定性：生物墨水必须具有足够的机械强度，以保持构建体的稳定性。

生物墨水的类型

生物墨水可以根据其组成的生物材料类型进行分类：

天然水凝胶：例如海藻酸盐、胶原蛋白、明胶和纤维蛋白等，通常具有良好的生物相容性，但机械性能较差，降解速度较快，且可调性有限。

合成水凝胶：例如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、明胶和海藻酸盐等，具有良好的机械性能和可调性，但可能存在生物相容性问题。

复合水凝胶：由两种或多种水凝胶混合而成，可以结合不同水凝胶的优点，例如提高生物相容性、机械性能和可调性。

生物墨水制备中的生物力学因素

在生物墨水制备过程中，需要考虑以下生物力学因素：

渗透压：生物墨水必须保持等渗状态，以防止细胞因渗透压差异而损伤或死亡。

粘度：生物墨水的粘度会影响细胞悬浮和分布的均匀性，以及打印过程中的流动性和沉积质量。

可注射性：生物墨水必须具有适当的可注射性，以确保能够以均匀的流动进行沉积，而不会堵塞打印头。

渗透压的调控

为了保持生物墨水的等渗状态，可以采取以下措施：

使用细胞培养基或生理缓冲液作为溶剂：通常将细胞培养基或生理缓冲液的离子浓度调整到290-320 mM，以防止渗透压差异。

在生物墨水中添加化学惰性渗透调节剂：例如蔗糖，可以帮助保护细胞免受渗透压的影响。

在细胞表面涂覆水凝胶：可以为细胞提供额外的刚度，以抵抗渗透压的影响。

粘度的调控

为了调节生物墨水的粘度，可以采取以下措施：

调整水凝胶的浓度：增加水凝胶的浓度可以提高粘度，但可能会降低细胞的功能。

添加或减少水凝胶的量：通过添加或减少水凝胶的量可以简单地进行粘度的调整。

使用多种水凝胶的混合物：可以通过混合不同类型的水凝胶来获得具有所需粘度和功能的生物墨水。

使用原位交联：可以增加沉积生物墨水的粘度，从而提高打印的 fidelity。

控制温度：可以通过控制温度来调节水凝胶的粘度，例如热敏水凝胶在体温下会液化为水凝胶，在较低温度下会凝胶化。

可注射性的调控

为了调节生物墨水的可注射性，可以采取以下措施：

调整水凝胶的浓度：增加水凝胶的浓度可以提高粘度，但可能会降低可注射性。

调整打印头的大小和形状：选择适当尺寸和形状的打印头可以提高可注射性。

添加其他添加剂：例如表面活性剂，可以帮助降低生物墨水的表面张力，从而提高可注射性。

通过仔细调控生物墨水制备过程中的生物力学因素，可以确保生物墨水的质量和功能，从而为3D组织生物打印的成功奠定基础。

参考文献

Ning L, Gil CJ, Hwang B, Theus AS, Perez L, Tomov ML, Bauser-Heaton H, Serpooshan V. Biomechanical factors in three-dimensional tissue bioprinting. Appl Phys Rev. 2020 Dec;7(4):041319.