老树开新花，3D打印新宠--微凝胶生物墨水研究进展
生物3D打印技术通过将含细胞的生物墨水按照预定义路径，层层堆积形成具有复杂结构的3D组织与器官，在复杂组织和器官的构建方面具有巨大的优势。其中，生物墨水的打印性能和物化性能对细胞行为的调控是构筑组织器官实现再生的关键。一般来说，用于生物3D打印的墨水材料需要具备合适的黏度和流变性能，这两种特性就像一对难以调和的矛盾，极大限制了可供打印的材料来源和浓度范围。具体而言，生物墨水的黏度过高，会使得生物墨水挤出经过喷嘴时承受的剪切力越大，对细胞造成的损伤也越大；黏度过低，虽然可以顺利挤出，然而挤出后难以维持基本的形态结构。此外，在生物墨水胶凝后形成的致密水凝胶网络还会限制封装细胞的迁移和增殖，虽然微尺度孔隙（微孔）有利于细胞的生命活动，但在载细胞结构中设计微孔也具有很多挑战性。
微凝胶是一类尺寸为微米级别的水凝胶，是一种应用于模拟细胞微环境来研究组织异质性的多功能平台，既可以为单个或多个细胞共培养应用定制单个微凝胶，也可以组装多个载细胞的微凝胶单元构建更接近类组织结构的微孔组装支架。近年来，以微凝胶为生物墨水用于生物3D打印的研究逐渐兴起，在解决上述问题上提供了很多有创造性的思路。目前相关的研究刚刚起步，涉及的文献不是很多。为方便大家学习，EFL特意整理了2篇代表性综述和10篇比较有参考价值的学术论文供大家拓宽研究思路，同时欢迎大家联系EFL获取更多资源或交流合作。
1. Bioactive Materials (IF 14.593)：微凝胶组装体的制备、特性及其在组织工程和再生医学中的应用；2021.07.23
简介：微凝胶组装是一种由微凝胶自下而上组装而成的宏观聚集体，是组织工程和再生医学领域中极具应用前景的生物材料。本文首先综述了微凝胶组装的制备方法，包括化学反应、物理反应、细胞间相互作用和外界驱动力等，然后重点介绍了微凝胶组装的独特特性，如微孔隙率、可注射性和异质性，最后详细介绍了微凝胶组装在细胞培养、组织再生和生物加工等领域特别是在3D打印方面的应用。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.07.020
2. Acta Biomaterialia (IF 8.947)：基于微凝胶的模块化、可调结构用于组织再生；2019.02.12
简介：微凝胶系统在组织工程中的特定应用的多功能性和实用性源于对材料、尺寸、形态和孔隙率的控制。该综述涵盖了微凝胶作为药物和生物活性因子递送的载体，在体外用于细胞扩增和增殖，以及在体内用于组织再生和重建的研究方向，重点介绍了将其作为生物墨水与3D打印结合在个性化的组织工程医疗中的应用实例。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.02.011
3. Science Advances (IF 14.136)：将水凝胶微球推广为新型挤出生物打印用生物油墨；2021.10.01
简介：水凝胶微球 (HMP) 是一种新兴的生物墨水，可以通过改善物理支持和维持生物功能来实现大多数软生物材料的三维 (3D) 打印。然而，打印喷嘴内的 HMP 堵塞和产生流动的机制仍未得到充分探索。本文研究人员通过实验和计算方法对打印过程中的 HMP 耗散过程进行了深入研究。结果表明，一般来说，小注射器开口、大尺寸或多分散尺寸的 HMP 以及不易变形的 HMP 会导致高阻力和更紧密的 HMP 堆积，由于颗粒间粘附性增加，从而提高了印刷保真度和稳定性。然而，平滑挤出和保持封装细胞的活力在打印过程中需要低阻力，这与较小的剪切应力相关。这些发现可用于提高 HMP 的可打印性并促进其在 3D 生物打印中的更广泛应用。
原文链接：
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abk3087
4. Advanced Functional Materials (IF 18.808)：含细胞微凝胶双相生物墨水3D打印；2021.12.16
简介：挤出式3D生物打印的一个主要挑战是利用有限数量的生物墨水满足对具有必要流变特性的可打印性和具有理想微环境的功能的相反要求。该文通过开发一种可推广的策略来制定基于细胞的微凝胶双相 (MB) 生物墨水来解决这一限制。MB 生物墨水包含两个成分，即密排状态的微凝胶，为挤出生物打印提供出色的流变性能，以及形成第二聚合物网络以将微凝胶整合在一起的水凝胶前体，从而提供打印后的结构稳定性。这种策略能够有效地将一系列水凝胶打印成具有高形状保真度的复杂结构。此外，MB 生物墨水的微凝胶和水凝胶前体可以封装不同类型的细胞，共同创造微尺度的异质细胞微环境，通过使用 MB 生物墨水，具有空间细胞图案的肝细胞和内皮细胞可诱导细胞重组和血管化，为组织工程和软机器人等生物医学应用开辟了许多机会。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202109810
5. Advanced Functional Materials (IF 18.808)：水凝胶微球打印仿生支架用于细胞球体生长；2020-02-12
简介：在这项研究中，研究人员以壳聚糖甲基丙烯酸酯 (CHMA) 和聚乙烯醇 (PVA) 混合水凝胶的新型自修复预交联水凝胶微球 (pcHμPs)为生物墨水，用于基于挤出的 3D 打印具有高保真度和生物相容性的支架。当通过注射器注射时，pcHμPs 表现出出色的剪切稀化性，随后随着剪切力的去除而自我修复成凝胶。数值模拟表明，pcHμPs在喷嘴中经历了一个塞流，扰动最小，有利于稳定和连续的打印。此外，pcHμPs 显示出自支撑屈服强度 (540 Pa)，可直接打印一系列具有极高纵横比和精致精细结构的仿生结构。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910573
6. Advanced Science (IF 16.806)：微凝胶墨水用于3D打印；2018.10.24
简介：生物打印墨水通常涉及具有可控流变特性的水凝胶，这篇文章开发了一种替代方法，打印墨水仅由微凝胶组成。该文通过微流控设计了成分、尺寸不同的一系列微凝胶。得到的微凝胶墨水具有剪切变稀性，能够在水凝胶载表面上或内部以 3D 形式沉积，并且可以通过二次交联进一步稳定。此外，该平台允许使用由各种材料（例如硫醇-烯交联透明质酸 (HA)、光交联聚乙二醇、热敏琼脂糖）设计微凝胶。在结合细胞研究中，发现利用这种打印方式细胞具有较好的活力，具有潜在的生物医学应用价值。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.201801076
7. Chemical Engineering Journal ( IF 13.273 )：两性离子微凝胶生物墨水用于干细胞球制备及生物打印；2021.09.30
简介：干细胞球体具有更好的生物学特性，在生物医学中广泛应用，然而如何高效、方便的制备、收集和打印细胞球体仍然是一项挑战。本研究制备了聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯微球，并将其自组装成颗粒状水凝胶。然后在聚苯乙烯微球组装体内原位聚合尼丙基丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠，进一步交联聚苯乙烯微球，形成具有体积特征、剪切稀释、自愈合性能的复合颗粒水凝胶。将复合颗粒水凝胶压缩成糖粒，通过在水中溶解除去，从而形成了洞穴。由于多孔复合颗粒水凝胶的不结垢特性和多孔结构，使得多孔复合颗粒水凝胶内自发形成大量的脂肪干细胞球体，并方便地传输到3d 打印机上。这种复合颗粒水凝胶作为“一体化”多功能生物链，实现了脂肪源性干细胞(asc)球状体的制备和重组。结果表明，复合颗粒水凝胶具有良好的挤压性和保真性，实现了产生的球体重组为稳定的三维结构，可用于进一步的体外培养，在药物筛选和组织再生方面具有良好的应用前景。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132713
8. Materials Horizons ( IF 13.266 ): 微凝胶支撑浴用于3D打印构建复杂几何结构工程组织；2019.06.05
简介：3D打印等先进制造技术的发展为组织工程领域带来了显著的能力，迄今为止，在没有中间生物材料的情况下，创建和培养具有复杂几何形状的仅基于单个细胞的高分辨率组织尚未实现。本文介绍的一种细胞打印平台允许3D打印和长期培养缺乏功能组织形成生物材料载体的纯活细胞生物墨水。该平台以可生物降解和光交联的微凝胶支撑浴为最初流体，允许打印喷嘴自由移动以进行高分辨率细胞挤出，在打印时，微凝胶介质通过表现出与宾厄姆塑料流体相似的特性来维持人类骨髓间充质干细胞 (hMSC) 的高分辨率打印。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/mh/c9mh00375d
9. Materials Today Chemistry (IF 8.301)：藻酸盐微凝胶生物墨水用于活体组织的生物打印；2019.06.01
简介：载有细胞的微凝胶已被用作组织构建块来创建三维 (3D) 组织和器官。然而，传统的组装方法不能用于制造具有生物力学和结构复杂性的功能性组织结构。这项研究提出了一种由氧化和甲基丙烯酸化海藻酸盐 (OMA) 组成的载细胞双交联海藻酸盐微凝胶的定向组装。载有细胞的 OMA 微凝胶可以在低强度紫外线下直接组装成定义明确的 3D 形状和结构，并且可以成功地冷冻保存用于长期储存和按需应用。此外，通过悬浮水凝胶 (FRESH) 3D 生物打印的自由形式可逆嵌入，可以将载有细胞的微凝胶组装成复杂的 3D 组织结构。这种高度创新的自下而上策略为定制和仿生 3D 组织结构的制造提供了强大且高度可扩展的工具。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2018.11.009
10. Biofabrication (IF 9.954)：嵌入3D打印的复杂组织再生微精密时空传递系统;2016.04.26
简介：3D打印已成为组织工程和再生医学的有效工具，本文研究者开发了一种嵌入 3D 打印支架的微精确时空传递系统。PLGA 微球 (μS) 用于生长因子 (GFs) 封装，然后嵌入构成定制设计的3D支架的 PCL 微纤维内。鉴于 PLGA 和 PCL 之间的熔点存在显着差异以及它们的低导热性，μS 能够保持其原始结构，同时保护 GFs 的生物活性。通过在单个打印过程中更换分配盒来实现对多个 GF 的微精确空间控制，该系统可作为再生复杂和不均匀组织的有效工具。
原文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/8/2/025003
11. ACS Applied Materials & Interfaces (IF 9.229)：动态交联反应构建微凝胶生物墨水；2022.03.28
简介：挤压生物打印技术已被广泛应用于组织工程和再生医学中制造复杂的异质结构。尽管到目前为止取得了显著的进展，但合格生物油墨的探索仍然具有挑战性，主要是因为对印刷适性/形状保真度和细胞活力的要求存在冲突。本文通过动态共价键加强微凝胶间的相互作用，同时保持微凝胶相对较低的机械模量，从而实现高印刷适性/形塑性和高细胞活力。微凝胶是通过基于液滴的微流控将经甲基丙烯酸和苯硼酸基团（HAMA-PBA）修饰的透明质酸和甲基丙烯酸明胶（GelMA）交联，然后用动态交联剂（多巴胺修饰的透明质酸，HA-DA）组装成DC-MA生物墨水来制备的。因此，具有高形状保真度的2D和3D结构可以在无需后处理的情况下打印，并且封装的L929细胞在挤压后表现出高的细胞活力。此外，动态交联剂（HA-DA）的加入还改善了DC-MA生物墨水的微孔、组织粘附和自愈，这对组织工程和再生医学应用（包括伤口愈合）非常有益。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c01295
12. Biomaterials Science (IF 6.843)：基于PEG水凝胶微球用作3D生物打印构件；2019.01.09
简介：用于3D打印的生物墨水必须在挤出后快速凝固的高粘度特性和细胞相容性的低剪切力之间保持平衡是一对很难实现的矛盾。本文介绍了一种由电喷雾制备的聚乙二醇（PEG）微凝胶组成的新型生物墨水，该微凝胶是通过化学计量比硫醇-烯点击化学制备的。重要的是，微凝胶生物墨水易于挤出，由于粒子间的粘附力，在印刷后表现出优异的稳定性，并且可以通过第二次硫醇-烯点击反应进行光化学退火，以赋予印刷结构长期稳定性。生物墨水的模块化也是一个优势，因为PEG微凝胶具有高度可调的物理化学性质。硫醇-烯退火反应的挤出和细胞相容性所需的低力也允许细胞在印刷过程中以高活性并入，并且在构建物退火后，细胞能够在微凝胶之间的间隙中扩散和增殖。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/bm/c8bm01286e
围绕再生医学研究方向，EFL公众号建有“学术交流群”，扫描下方二维码加小编微信即可入群交流~