生物打印后的生物力学过程

3D生物打印技术在组织工程领域展现出巨大的潜力，但打印后组织的生物力学特性对其最终成功至关重要。本文将详细介绍打印后组织的生物力学特性及其在组织工程中的应用。

1. 打印后水凝胶交联

原位交联可以在生物打印过程中提供足够的机械支持，但可能不足以维持结构的稳定性，尤其是在后续处理中。因此，打印后交联是确保水凝胶结构机械稳定性的必要步骤。

物理交联：基于离子相互作用或热聚合的交联方法。例如，使用Ca2+离子与藻酸盐结合，或使用 pH 调节使明胶或胶原蛋白凝胶化。

化学交联：通过共价键连接水凝胶链的方法。例如，使用光聚合、酶促交联或 Schif 基形成。

交联方法的影响：不同的交联方法会影响打印结构的机械性能。例如，与物理交联相比，化学交联可以显著提高胶原蛋白水凝胶的刚度。

交联参数的影响：交联时间和交联剂浓度会影响打印结构的机械性能。例如，使用更高浓度的Ca2+离子或更长的交联时间可以增加藻酸盐基底的刚度，但可能会对细胞造成毒性。

化学交联剂的选择：用于化学交联的试剂必须与细胞兼容，否则会导致细胞死亡，最终导致生物打印组织结构的失败。

2. 打印后组织的生物力学特性

打印后组织的生物力学特性是评估其结构和功能的关键因素。

评估方法：可以使用拉伸测试、压缩测试、压痕测试或原子力显微镜等手段来评估打印组织的机械性能。

刚度：刚度是描述材料抵抗变形能力的参数。打印组织的刚度可以通过调节水凝胶类型、浓度、交联、细胞-水凝胶相互作用、孔隙率以及降解来调整。

粘弹性：粘弹性是指材料在受到长期机械载荷作用时同时表现出粘性和弹性行为的特性。打印组织的粘弹性可以通过调节水凝胶类型、浓度、交联、细胞-水凝胶相互作用、孔隙率以及降解来调整。

孔隙率：孔隙率是指材料中孔隙体积的比例。孔隙率可以影响打印组织的机械强度和细胞代谢。

应力松弛：应力松弛实验可以用来评估打印组织的粘弹性，例如剪切模量、泊松比以及孔隙弹性行为。

降解：水凝胶的降解会影响其机械性能，并导致细胞外基质重塑。降解速率应与细胞分泌蛋白质的能力相匹配，以替换降解的材料，并确保降解产物的生物相容性。

3. 打印后组织生物力学在组织工程应用中的意义

打印后组织的生物力学特性对细胞功能和植入后的组织整合至关重要。

细胞功能：组织工程的目标是创建具有与天然组织相似生物力学特性的功能性组织。打印组织的生物力学特性可以影响细胞存活、粘附、增殖、分化和细胞外基质分泌。

植入后的组织整合：打印植入物的机械性能必须与宿主组织的性能相匹配，以避免干扰宿主组织并实现充分的整合。植入物的刚度可以影响宿主组织的浸润和血管生成。降解速率可以控制细胞从宿主环境中的浸润，并影响植入物的长期功能。

总结

打印后组织的生物力学特性对其在组织工程中的应用至关重要。通过精确调节打印组织的刚度、粘弹性和孔隙率，可以创建具有与天然组织相似性能的功能性组织，为组织工程领域的未来发展奠定基础。

参考文献

Ning L, et al. Biomechanical factors in three-dimensional tissue bioprinting. Appl Phys Rev. 2020 Dec;7(4):041319.