供稿人：刘颖洁、王玲 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-04-29
以水凝胶为代表的生物墨水材料在传统的挤出式3D打印过程中容易因自身机械性能不足而发生结构塌缩。通过在富含微颗粒的支撑浴中3D打印生物墨水，能够防止其打印结构塌缩，进而实现复杂结构的快速构建。然而，较低的打印分辨率阻碍了支撑浴下3D打印在组织工程中的广泛应用。为了解决该问题，大阪大学的Michiya Matsusaki教授团队研发了一种使用柠檬酸盐改性的结冷胶微凝胶支撑浴材料体系，实现了胶原等生物墨水材料的高精度打印。
图1 (a,b) 微凝胶颗粒支撑浴辅助下的挤出式3D打印。 (c,d) 添加柠檬酸盐前后的结冷胶支撑浴和其对应的不同分辨率的打印结构。 (e) 柠檬酸钠改性的结冷胶支撑浴制备过程。 (f) 不同柠檬酸钠浓度下结冷胶微颗粒的激光共聚焦扫描显微镜图像。
支撑浴下3D打印的打印精度与支撑浴材料性质紧密相关。如图1所示，颗粒尺寸更小，分布更均匀的微凝胶支撑浴的打印分辨率更高。Michiya Matsusaki教授团队基于霍夫迈斯特效应（Hofmeister effect），通过在结冷胶支撑浴体系中加入柠檬酸钠，缓解了结冷胶微颗粒的聚集现象，使结冷胶微粒在浴液中处于良好的分散状态，从而构建了一个小粒径的、同质均匀的结冷胶支撑浴，实现了高分辨率打印。
图2 (a) 打印样品的后处理过程。 (b,c) 打印的胶原蛋白耳朵模型和手部模型。 (d-g) 打印的胶原蛋白心脏模型及其截面。 (h) 打印出的胶原蛋白心脏模型可以握在手中而不会塌陷。 (i-k) 心脏模型的 μCT 图像。 (l) 将红色和蓝色墨水注入心脏模型，显示出良好水密性。
图3（a）力-位移曲线和（b）不同组件的晶格填充管（一体式）之间的能量吸收特性的比较
基于柠檬酸盐改性的结冷胶支撑浴体系，Michiya Matsusaki教授团队使用胶原生物墨水成功构建了耳朵、手和心脏等复杂三维器官结构，如图2所示。打印完成后，用水清洗即可轻松去除结冷胶和柠檬酸钠。打印获得的胶原蛋白结构表现出了良好的细胞亲和性，在接种人类诱导多能干细胞衍生心肌细胞后，胶原心脏发生了周期性跳动。Michiya Matsusaki教授团队的工作为开发用于胶原蛋白等生物墨水材料的高分辨率打印的微凝胶支撑浴体系提供了一种易于操作的策略，为构建体外复杂三维器官提供了新途径。