帶有霧滴打印頭的3D打印水凝膠生物墨水最新研究

南極熊導(dǎo)讀，3D生物打印是一種在體外生產(chǎn)活體組織流行的方法，可應(yīng)用于各種組織工程?；谝旱蔚纳锎蛴?(DBB) 具有生物打印模式中最高分辨率。然而，由于打印過程僅與低粘度生物墨水兼容，DBB的使用受到限制。為了克服這個困難，科研人員發(fā)現(xiàn)了新的解決方案。

2022年5月14日，南極熊獲悉，最近發(fā)表在Bioprinting雜志上的一篇文章中，研究人員討論了離子交聯(lián)水凝膠生物墨水，與基于霧的打印頭的基于液滴的生物打印。使用的形式與以前基于液滴的生物打印方法完全相反。

如需獲得原文更多信息：Badr, S.、MacCallum, B.、Madadian, E. 等人。《開發(fā)用于離子交聯(lián)水凝膠生物墨水的基于液滴的生物打印的基于霧的打印頭》（點我傳送門）

生物打印e00207(2022)。https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2405886622000173

關(guān)于科研背景
目前，暴露于離子交聯(lián)劑和熱調(diào)制是已研究的兩種交聯(lián)生物墨水液滴的方法。但打印階段交聯(lián)劑的堆積使液滴和結(jié)構(gòu)的精確定位變得困難，這對打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度產(chǎn)生了負(fù)面影響。

為了克服這個問題，一項新發(fā)現(xiàn)涉及噴射生物墨水和交聯(lián)劑液滴，多余的交聯(lián)劑通過打印臺下方的吸收性組織聚集。由于過度凝膠化和液滴擴散，這些基于液體的交聯(lián)技術(shù)具有較差的分辨率和層粘附性。為了確保足夠的形狀保真度和層粘附性，需要更好的機制來控制交聯(lián)速率。

△開發(fā)新型的基于液滴的打印頭示意圖。圖片來自Shutterstock

關(guān)于研究
在這項研究中，作者討論了一種用于離子交聯(lián)水凝膠生物墨水3D生物打印機的新發(fā)現(xiàn)。新技術(shù)在打印頭內(nèi)提供了霧狀交聯(lián)劑。開發(fā)一種消除打印頭內(nèi)過量霧氣的裝置，可最大限度地減少由于打印階段液體收集，解決支架不穩(wěn)定性。未來，打印頭可用于商業(yè)使用，并提供共液滴附著力和良好的液滴凝膠作用。

該團隊研究了采用不同霧化輸送速率的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，以及溶脹和可打印性。此外，還研究了噴霧出口壓力、打印頭高度和打印頭通道直徑等，對噴霧分布和打印頭內(nèi)凝膠化速率的影響。還使用高速成像研究了液滴速度，和霧濃度對液滴撞擊表面動力學(xué)的影響。

研究人員開發(fā)了一種獨特的生物打印技術(shù)，可以在沉積到打印臺之前，以受控形式交聯(lián)生物墨水液滴。使用與天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)非常相似的水凝膠生物墨水，評估了基于霧的DBB系統(tǒng)的性能。

△液滴凝膠化對形狀保真度和共液滴附著力的影響。圖片來自Bioprinting

實驗觀察
在1250、1000和1500 mL/min霧化入口流速下，交聯(lián)的支架的膨脹率分別為1101%、1003% 和1100%。第3天，對照和濃度為3wt%、2wt%和1wt%，平均存活率分別為99%、98%和 97%。在第4天，活力水平低于第3天，并且1wt%的海藻酸鈉生物墨水具有最大的活力。

1000 mL/min最低流速的壓縮模量為17.80 kPa，而1500 mL/min的最大流速為25.90 kPa。同時，1250、1750和1500毫升/分鐘的霧氣交聯(lián)支架的適印性值，分別為0.83 ± 0.06、0.63 ± 0.34和0.34 ± 0.42。當(dāng)使用40wt% CaCl 2霧溶液代替10 wt%霧溶液時，擴散因子降低了12%。

證明可以通過改變霧供給速度來調(diào)節(jié)凝膠化速度
薄霧輸送率影響3D打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度和機械質(zhì)量。設(shè)計的打印頭生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)具有高細(xì)胞存活率和低細(xì)胞毒性?；谝旱蔚纳锎蛴。捎糜趧?chuàng)建用于器官和組織再生的生物相容且復(fù)雜的支架。

霧氣流量對3D打印結(jié)構(gòu)的機械特性和形狀保真度有影響
將生物墨水液滴暴露在打印頭內(nèi)，調(diào)節(jié)交聯(lián)劑霧流，然后收集打印頭內(nèi)的霧，以抑制交聯(lián)劑在打印階段的積累，從而控制凝膠化，從而獲得良好的層粘附性和形狀保真度。

打印的構(gòu)建體被證明表現(xiàn)出良好的細(xì)胞活力和低細(xì)胞毒性
此外，通過改變印刷參數(shù)，可以調(diào)整膠凝過程，包括除霧壓力、打印頭高度和打印頭通道直徑。可以通過改變液滴沖擊速度和霧濃度來調(diào)整液滴碰撞動力學(xué)。

△示意圖：3D打印模型模擬了功能性肺，其氣道能夠為紅細(xì)胞提供氧氣。 圖片來自Jordan Miller Rice

實驗結(jié)論
這項研究闡明了在打印過程中，DBB系統(tǒng)使用基于霧的打印頭附件來交聯(lián)水凝膠液滴。使用與CaCl 霧交聯(lián)的海藻酸鈉打印支架，在液滴和層之間具有良好的凝膠化和粘附性。霧濃度依賴于打印參數(shù)，例如出口壓力和從打印臺到打印頭的高度。

作者強調(diào)，這種方法可用于各種需要不同凝膠速度的打印材料或應(yīng)用。他們還提到這種3D打印結(jié)構(gòu)具有生物相容性，這意味著該支架可用于打印器官和組織。