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生物3D打印材料之墨水簡介
閱讀：788 發(fā)布時間：2022-12-17生物3D打印就是將生物材料（水凝膠等）和生物單元（細(xì)胞、DNA、蛋白質(zhì)等）按照仿生形態(tài)學(xué)、生物體功能、細(xì)胞生長微環(huán)境等要求用3D 打印的手段制造出具有個性化的生物功能結(jié)構(gòu)體的制造方法。
生物3D打印所采用的材料我們形象的稱之為生物墨水，今天就為大家介紹一下生物墨水的研究。
生物3D打印墨水要求
生物墨水首先要有非常好的生物活性，要有類似于體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)的環(huán)境，這樣便于打印后的細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育，并使細(xì)胞間建立起彼此的通信關(guān)系。
其次生物墨水要具備良好的成形性，生物3D打印要求墨水在打印時必須具有很好的流動性，打印后又能很快固化以便于固定成形。
通過提高水凝膠濃度及交聯(lián)劑密度可加快固化時間，提高水凝膠強(qiáng)度，有利于更好的打印成形，但同時也會降低凝膠含水量，縮小凝膠內(nèi)部微孔徑，不利于細(xì)胞生存及細(xì)胞外基質(zhì)的沉積，因此生物墨水有一個合適的成形工藝區(qū)間，也就是所謂的BiofabricationWindow。該窗口主要是指兼顧打印要求、細(xì)胞活性及生長要求，并結(jié)合打印的工藝參數(shù)（如打印速度、擠出壓力、打印溫度、墨水濃度、交聯(lián)劑濃度、光固化時間等）所構(gòu)成的一個能成功打印的區(qū)間。在具體打印過程中，可以根據(jù)實際細(xì)胞類型和打印精度的需要沿不同方向移動窗口，調(diào)整凝膠性能。
生物3D打印墨水分類
目前的生物墨水主要有離子交聯(lián)型、溫敏型、光敏型及剪切變稀型4 大類。
離子交聯(lián)型主要是通過離子交聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)水凝膠的固化，比如海藻酸鹽系列墨水，使用時海藻酸鈉中的鈉離子與鈣離子進(jìn)行置換，獲得海藻酸鈣水凝膠；
溫敏型墨水主要是通過加熱或冷卻的方式實現(xiàn)墨水從溶膠態(tài)到凝膠態(tài)的轉(zhuǎn)變，比如明膠類墨水，打印時需要加熱噴頭以熔化明膠，冷卻底部的打印平臺以實現(xiàn)明膠定形；
光敏型墨水主要是通過光來激活墨水中的光引發(fā)劑實現(xiàn)墨水從溶膠態(tài)到凝膠態(tài)的轉(zhuǎn)變，比如甲基丙烯酸酐化明膠（GelMA，EFL-GM 系列）材料；
剪切變稀型墨水主要是利用一些材料的表觀黏度隨著切應(yīng)力的增加而減小的現(xiàn)象，在不受到剪切力時表現(xiàn)為凝膠態(tài)，當(dāng)受到剪切力作用時變?yōu)槿苣z態(tài)，比如采用卡波姆膠+GelMA 或膠原構(gòu)成生物墨水。
生物墨水性能評價
生物墨水的性能可采用可打印性、生物兼容性及機(jī)械性能來評價。
“可打印性”用于評價墨水的成形性能，要求材料黏度可調(diào)可控、溶膠態(tài)到凝膠態(tài)的相變轉(zhuǎn)換速度快、可打印工藝參數(shù)窗口寬；
“生物兼容性”用于評價墨水模擬細(xì)胞外基質(zhì)的能力，要求墨水能盡可能地接近所打印細(xì)胞在體內(nèi)的微環(huán)境，細(xì)胞能在凝膠化的墨水內(nèi)增殖、伸展、分化并實現(xiàn)最終彼此間的通訊。
機(jī)械性能要求凝膠化后的墨水有足夠的強(qiáng)度來支持后續(xù)的培養(yǎng)及體內(nèi)植入過程。通常打印后的結(jié)構(gòu)需要體外培養(yǎng)一段時間，培養(yǎng)過程中可能會出現(xiàn)營養(yǎng)的灌注、降解等，要求結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度支撐這一過程，同樣植入體內(nèi)時如果強(qiáng)度太低也會導(dǎo)致植入失敗。
目前常用生物墨水比較
動物細(xì)胞分泌的細(xì)胞外基質(zhì)主要由三大類成分組成：結(jié)構(gòu)蛋白（膠原、彈性蛋白等）、專一蛋白（纖維蛋白等）及蛋白聚糖。的生物墨水無疑就是能逼近天然的細(xì)胞外基質(zhì)，因而不同的細(xì)胞所需的生物墨水也需要調(diào)整，原則上講要盡可能添加細(xì)胞在體內(nèi)生長時所需的物質(zhì)。比如在打印軟骨細(xì)胞時，添加一些透明質(zhì)酸（軟骨中常見的組分）會對后期的培養(yǎng)及功能化有較好的促進(jìn)作用。
目前的海藻酸鹽系生物墨水成形性能及機(jī)械性能較好，缺點是生物兼容性較弱，直接影響打印后細(xì)胞向組織的轉(zhuǎn)化；而膠原類生物墨水由于來自動物體內(nèi)，有很好的生物兼容性，缺點是成形速度慢，機(jī)械性能差，需要后續(xù)的改性或者混入其他材料中使用。而GelMA 材料兼具可打印性及可成形性兩大優(yōu)點，有望在生物3D 打印中獲得廣泛的應(yīng)用。
從目前關(guān)于生物3D打印的報道來看，基本還是打印一些網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為主，真正實現(xiàn)類組織結(jié)構(gòu)的打印還需要從打印工藝及打印方法上做很多努力。我們共同期待這一天的到來！