生物墨水是生物印刷機(jī)的“長絲”。您是否想知道它們內(nèi)部有什么或它們?nèi)绾喂ぷ?？讓我們帶您參觀。

BIOINK –簡單解釋

背景

Bioink是使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)工程（人造）活組織的材料。它只能由細(xì)胞組成，但是在大多數(shù)情況下，還會添加包圍細(xì)胞的其他載體材料。這種載體材料通常是生物聚合物凝膠，可充當(dāng)3D分子支架。細(xì)胞附著在這種凝膠上，這使它們能夠擴(kuò)散，生長和增殖。

重要的是，凝膠還可以在印刷過程中為細(xì)胞提供保護(hù)。它的重要性是如此之高，以至于術(shù)語“生物墨水”通常被用來單獨(dú)描述載體材料，而與可能在其上生長的細(xì)胞無關(guān)。

BIOINK –簡單解釋

生物油墨是凝膠，而不是細(xì)絲！

具有三個擠出機(jī)的3D生物打印機(jī)。資料來源：cellink.

生物墨水中生物聚合物（或生物聚合物混合物）的重要特征是其保留水的能力，使其成為水凝膠。這種水凝膠在工程組織的機(jī)械穩(wěn)定性中起主要作用，這將影響被生物打印物體的3D逼真度。

任何凝膠的關(guān)鍵特性之一是當(dāng)施加必要條件時(shí)能夠在液體狀和固體狀之間轉(zhuǎn)換的能力。我們?nèi)绾悟?qū)動這種“溶膠-凝膠”轉(zhuǎn)變?nèi)Q于所考慮的凝膠系統(tǒng)。反過來，這將決定所使用的確切生物打印技術(shù)。

在這里，我們仔細(xì)研究基于擠出的系統(tǒng)中生物墨水背后的聚合物配方，這是zui常見的。

微妙的平衡

為了在FDM打印機(jī)中制造零件，我們使用溫度來利用熱塑性塑料中的相變。當(dāng)它們穿過擠出機(jī)時(shí)，我們將它們從固態(tài)驅(qū)動到熔融態(tài)。然后它們在冷卻時(shí)再次變得堅(jiān)固。同樣，生物墨水必須經(jīng)歷某種形式的相變，以使其在空間中準(zhǔn)確分布。

熱塑性塑料和生物墨水都由聚合物制成，但是聚合物可能非常非常不同（我們提到過“非常”嗎？）。生物油墨中的聚合物必須能夠形成相當(dāng)堅(jiān)固的稠度凝膠，因?yàn)檫@將使印刷保真度更高。

但是，凝膠中的聚合物無法形成緊密而僵硬的網(wǎng)絡(luò)，無法從字面上囚jin細(xì)胞。網(wǎng)絡(luò)必須在材料特性上達(dá)到*點(diǎn)：它應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高保真度的打印，但又要足夠靈活以適應(yīng)營養(yǎng)液的流動和擴(kuò)散以及細(xì)胞的移動。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要控制使水凝膠經(jīng)歷這些相變的化學(xué)或物理因素。另外，這應(yīng)該在打印過程中同時(shí)保持細(xì)胞存活的同時(shí)發(fā)生。如您所見，這種因素的平衡比人們想象的要困難得多。

 

融化生物墨水

基于藻酸鹽的聚合物網(wǎng)絡(luò)，展示了細(xì)胞和營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散通過的多孔結(jié)構(gòu)。資料來源：materialstoday

通過溫度控制膠凝的可能性之一。例如，明膠就是這種情況，明膠是某些生物墨水的基礎(chǔ)材料。

像在FDM中一樣，擠出機(jī)可以包含一個會稍微提高溫度的加熱元件。關(guān)鍵是要部分熔化聚合物，使其通過噴嘴。

自然，擠出機(jī)上生物墨水所經(jīng)受的溫度不能太高，否則會煮熟細(xì)胞。這意味著并非所有的聚合物都足以用作采用這種擠出系統(tǒng)的生物打印機(jī)的生物墨水。

稀釋生物墨水

在培養(yǎng)皿上對冠狀動脈進(jìn)行生物打印來源：https：//directorsblog.nih.gov/

引起所謂的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的其他形式依賴于稱為“剪切稀化”的現(xiàn)象。一些凝膠在遇到剪切應(yīng)力時(shí)變得更像液體。

一個例子是天然酸奶，它具有堅(jiān)固的凝膠稠度，直到您決定混合為止。旋轉(zhuǎn)勺子幾圈后，由于勺子運(yùn)動而產(chǎn)生的所有剪切力會使酸奶變得更像液體。但是，并非所有的凝膠都具有這種特性。嘗試用明膠做同樣的事情，看看是否行得通……

剪切印刷

由于生物墨水儲罐的安裝壓力，旨在通過剪切變稀的生物墨水可以通過狹窄的噴嘴加速。剪切是由于凝膠在針狀噴嘴的壁上摩擦而引起的。凝膠中增加的流動性使其可印刷。

當(dāng)生物墨水到達(dá)打印床時(shí)，它停止經(jīng)歷明顯的運(yùn)動。這樣，剪切應(yīng)力急劇下降，從而導(dǎo)致快速膠凝。由于此方法不需要提高溫度，因此通常是對細(xì)胞友好的方法。

細(xì)胞健康

但是，材料在通過擠壓系統(tǒng)時(shí)受到的剪切力通常對細(xì)胞的健康影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)在細(xì)胞的層面上進(jìn)行討論時(shí)，像細(xì)胞碰撞到墻壁上這樣的相互作用通常會被低估。

在這里，凝膠的粘彈性能有助于減少剪切力，剪切力與細(xì)胞通過狹窄通道時(shí)所經(jīng)歷的摩擦有關(guān)，從而導(dǎo)致它們變形。凝膠的干預(yù)方式與減震器有助于緩解顛簸道路上的汽車行駛方式相同。它有助于消散可能有害的動能形式。

細(xì)胞吞噬了周圍的環(huán)境

在生物反應(yīng)器中生長28天后，3D生物打印的血管的結(jié)構(gòu)，聚合物基質(zhì)顯示為藍(lán)色，細(xì)胞顯示為紅色。資料來源：organovo

安全地將細(xì)胞穿過噴嘴傳遞到印刷床中，這只是bioink的任務(wù)之一。另一個是充當(dāng)細(xì)胞的食物來源，或者至少要使其降解。

隨著細(xì)胞的生長和增殖，它們通常會改變其環(huán)境。它們吸收在外部發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，代謝它們，然后釋放出不同的物質(zhì)。

實(shí)際上，細(xì)胞產(chǎn)生和排出的許多物質(zhì)不一定等同于需要清除的有毒物質(zhì)。相反，他們也要照顧當(dāng)?shù)丨h(huán)境。他們還對其進(jìn)行回收，并產(chǎn)生一種物質(zhì)矩陣圍繞它們并增加其生存的機(jī)會。

這種細(xì)胞外基質(zhì)是細(xì)胞所需的物質(zhì)，它們通常自己生產(chǎn)。因此，好的人造組織是所有人造元素都已被天然元素替代的組織。這實(shí)現(xiàn)了3D生物打印的關(guān)鍵應(yīng)用之一，即植入人工產(chǎn)生的器官或身體部位。

成分表

基于透明質(zhì)酸（HyStem）的水凝膠的示意圖。資料來源：sigmaaldrich

通常，生物墨水依靠幾種聚合物的組合來達(dá)到某種中間地帶，在這種中間地帶中要考慮到化學(xué)，物理和生物方面的限制。以下是您可能在生物墨水中找到的聚合物的一小部分：

• 瓊脂糖  是從海藻中獲得的海洋多糖。由于其令人稱贊的生物相容性和凝膠化特性，它一直以來都是人們的zui愛。但是瓊脂糖不能為細(xì)胞提供移動所需的必要錨定點(diǎn)。因此，它通常出現(xiàn)在與其他聚合物混合在一起的生物油墨中。
• 海藻酸鹽是另一種植物海洋生物聚合物，可以從周圍的介質(zhì)中截留水和營養(yǎng)。此屬性是3D生物打印的理想選擇，因?yàn)闋I養(yǎng)素的有限擴(kuò)散是細(xì)胞在致密結(jié)構(gòu)（例如活組織）內(nèi)部面臨的大障礙之一。
• 膠原蛋白（俗稱明膠）是生物墨水的另一種常見成分。您可以在動物的肌肉和肌腱中找到大量的膠原蛋白，這并非偶然。膠原蛋白具有堅(jiān)硬的纖維分子結(jié)構(gòu)，具有出色的粘彈性，增強(qiáng)了發(fā)現(xiàn)膠原蛋白的組織的機(jī)械穩(wěn)定性，并且細(xì)胞喜歡粘附在其上。如今，您可以找到合成的膠原蛋白變體，這些變體具有天然物質(zhì)的許多特性，而不必殺死動物。
• 透明質(zhì)酸  是動物細(xì)胞胞外空間中普遍存在的分子，是關(guān)節(jié)軟骨的重要組成部分。它是一種嗜水分子，被發(fā)現(xiàn)后被昵稱為“黏性分子”。盡管其一致性在3D生物打印中并不總是理想的，但是許多細(xì)胞都喜歡它。這就是為什么在生物油墨中可以找到具有增強(qiáng)的機(jī)械性能的透明質(zhì)酸人工變體的原因。

生物墨水的成分列表與您可以在FDM打印中使用的材料*匹配。從涉及凝血的蛋白質(zhì)到纖維素或絲綢，您還可以添加純合成材料，例如聚乙二醇（PEG），Pluronic或其他甲基丙烯酸酯。隨著3D生物打印研發(fā)工作的發(fā)展以及對個性化醫(yī)學(xué)的興趣進(jìn)一步發(fā)展，我們可以預(yù)期，生物墨水的市場將在未來幾年中得到極大的擴(kuò)展。