謝能 曹其新 王金武

1 上海市醫(yī)療器械化妝品審評(píng)核查中心 （上海 200020）

2 上海交通大學(xué) （上海 200240）

3 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 （上海 200011）

內(nèi)容提要： 針對(duì)目前生物打印中常用的工藝進(jìn)行歸納總結(jié)，明確相應(yīng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)和要求，并對(duì)打印材料提出相應(yīng)的要求，為后期生物打印醫(yī)療器械的質(zhì)量控制摸索出一條道路。

增材制造技術(shù)作為數(shù)字化制造技術(shù)，已經(jīng)逐漸滲入到多個(gè)生產(chǎn)、生活領(lǐng)域。其在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，生物打印在軟骨、人造皮膚、人工血管上均取得了突破性的進(jìn)展。生物打印為人類器官組織再生提供了一個(gè)全新的發(fā)展方向，被譽(yù)為未來30年的發(fā)展突破性領(lǐng)域。目前生物打印主要包括了凝膠與細(xì)胞的混合打印，其主要的問題是孔隙結(jié)構(gòu)的聯(lián)通關(guān)系，外部輪廓形狀與邊緣部分的孔隙率不足，精度不足，以及多噴頭中材料和結(jié)構(gòu)的梯度精度的控制問題。本文嘗試針對(duì)目前常規(guī)使用的生物打印工藝加以總結(jié)和探討，明確相應(yīng)的打印工藝規(guī)范要求，為后期實(shí)際生物打印醫(yī)療器械產(chǎn)品的質(zhì)量控制，摸索出一條路徑。

1.生物打印的客觀需求

目前，骨科植入物多為金屬或者塑料類（聚醚醚酮）。這類材質(zhì)可以作為假體植入人體，在物理性能上予以功能的恢復(fù)，但由于不具備血運(yùn)功能，不可自我修復(fù)。植入患者需面對(duì)二次手術(shù)等相應(yīng)的后期問題。生物打印技術(shù)內(nèi)部多采用多孔結(jié)構(gòu)，而多孔結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞的遷移、分化及骨長(zhǎng)入，生物打印植入物的孔隙率、聯(lián)通性，包括多孔組織的降解速率均對(duì)后期的組織修復(fù)，患者康復(fù)效果均有至關(guān)重要的影響。所以生物打印在骨植入物方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

而在器官移植領(lǐng)域，目前供體大量的缺失，不少腎臟、眼角膜疾病患者在等待合適供體的過程中，器官功能已走向衰竭。同時(shí)，部分接受了臟器移植的患者在手術(shù)后因需長(zhǎng)期服用免疫抑制劑來抑制排異反應(yīng)，導(dǎo)致身體抵抗力的大幅下降，最終造成臟器多種并發(fā)癥。在可預(yù)見的將來，大量采用自體干細(xì)胞誘導(dǎo)生成的生物打印產(chǎn)品及器官將解決目前醫(yī)療領(lǐng)域中器官移植出現(xiàn)的諸多問題及不良反應(yīng)。

金屬、塑料類產(chǎn)品的無血運(yùn)及此造成的手術(shù)二次翻修問題，以及供體移植類產(chǎn)品的缺失和對(duì)應(yīng)的排異反應(yīng)，均為生物打印技術(shù)的出現(xiàn)做了完美的鋪墊。

2.生物打印工藝難點(diǎn)

細(xì)胞所處的整體環(huán)境，對(duì)于細(xì)胞的誘導(dǎo)分化是至關(guān)重要的。在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，對(duì)于生物細(xì)胞的培養(yǎng)過去停留在二維水平，即通過培養(yǎng)皿進(jìn)行指定細(xì)胞的培養(yǎng)。在二維培養(yǎng)環(huán)境中即使添加了諸多的細(xì)胞因子和誘導(dǎo)物質(zhì)，仍無法有效模擬細(xì)胞在具體三維結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的定向分化。如已知的成骨細(xì)胞，在骨中的不同位置均會(huì)出現(xiàn)不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。而生物打印在細(xì)胞誘導(dǎo)分化上，首次提出制造一個(gè)三維仿真的模擬環(huán)境，通過提供細(xì)胞在三維結(jié)構(gòu)下培養(yǎng)，利用不同的力學(xué)和微循環(huán)環(huán)境進(jìn)行誘導(dǎo)分化，提供了重要的細(xì)胞演化基礎(chǔ)。

目前使用的脊柱退化治療中采用干細(xì)胞直接注入的方式存在運(yùn)動(dòng)代謝問題，導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量的不足，細(xì)胞生存微環(huán)境不理想導(dǎo)致細(xì)胞作用機(jī)制不暢，培養(yǎng)一段時(shí)間之后，細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)凋亡機(jī)制，數(shù)量開始急劇減少。而三維環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)因?yàn)榫哂泻侠淼募?xì)胞機(jī)制，營(yíng)養(yǎng)輸送渠道和力學(xué)、化學(xué)性能的反饋，可以持續(xù)地釋放相應(yīng)的細(xì)胞因子，保證了細(xì)胞的存活和增殖[1]。

在生物打印領(lǐng)域中還需要關(guān)注以下幾方面的發(fā)展，以多細(xì)胞、多材料打印基于組織結(jié)構(gòu)的類似植入體，才能更好地促進(jìn)細(xì)胞誘導(dǎo)、分化，所以需要精準(zhǔn)地控制細(xì)胞材料，進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)打印，從物理、生物性能上與原有組織進(jìn)行高度匹配匹配。針對(duì)性的工藝發(fā)展，目前生物打印工藝為通用型工藝，針對(duì)不同的臨床要求及組織器官特點(diǎn)，應(yīng)開展具有針對(duì)性的組織打印的工藝研究，以完美適配臨床不斷發(fā)展的需求。目前生物打印工藝的規(guī)范化尚存不足，應(yīng)促進(jìn)整個(gè)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、系列化、規(guī)范化，進(jìn)而推動(dòng)生物打印醫(yī)療器械在實(shí)際應(yīng)用中的推廣與應(yīng)用。

3.常規(guī)生物打印工藝總結(jié)與探討

3.1 擠出生物打印工藝

目前生物3D打印領(lǐng)域采用的工藝方法為擠出沉積成型法。該方法將所得的數(shù)字模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)，通過逐層打印所得結(jié)構(gòu)層面，并在特定區(qū)域內(nèi)打印相對(duì)應(yīng)的活細(xì)胞。目前該方法多采用多噴頭方式。

3.1.1 擠出生物打印系統(tǒng)主要構(gòu)成

擠出生物打印系統(tǒng)分為運(yùn)動(dòng)控制、溫度控制、供料控制、軟件系統(tǒng)和無菌控制系統(tǒng)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由XY平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和Z軸的升降機(jī)構(gòu)組成。在打印開始階段，將模型切片及代碼轉(zhuǎn)換成可操控的工作驅(qū)動(dòng)命令。XY平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)指令，運(yùn)動(dòng)到指定的位置后，完成一層的運(yùn)動(dòng)軌跡掃描后，再按照規(guī)定的厚度下降至指定的位置。

溫度控制系統(tǒng)包含三個(gè)主體，即：①材料儲(chǔ)存溫度控制系統(tǒng)。無論是水凝膠及細(xì)胞，其保存均有不同的溫度要求，需要有不同的溫度儲(chǔ)存控制系統(tǒng)加以控制。②艙室溫度控制系統(tǒng)，控制成型腔室的溫度，來保證支撐凝膠的達(dá)到充分的支撐強(qiáng)度，細(xì)胞能在合適的成型溫度中植入支架。③擠出系統(tǒng)的溫度控制，包括噴嘴的溫度的精確實(shí)時(shí)反饋及相應(yīng)的控制。

擠出生物打印使用的供料擠出系統(tǒng)，考慮到使用凝膠的黏度和彈性的不同，以及細(xì)胞的保護(hù)作用，目前多采用氣壓加杠桿擠出的方式，通過絲桿的精度控制來控制擠出。

在擠出生物打印過程中，軟件系統(tǒng)包括三維成型軟件，切片軟件及控制軟件。三維成型軟件將掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維化處理，形成對(duì)應(yīng)的三維數(shù)字模型。在模型基礎(chǔ)上加以設(shè)計(jì)修改，完成支架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，形成合理的孔隙結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)。隨后一般以STL文件格式輸出（STL格式是一種三角片化的數(shù)據(jù)文件格式）。STL數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入切片軟件，按照規(guī)定的層厚，將模型予以切片，切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入下位控制軟件中，形成可以運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)命令并加以執(zhí)行。

生物打印系統(tǒng)與其他增材制造工藝不同的一點(diǎn)是需要有實(shí)時(shí)的無菌控制系統(tǒng)。正常的金屬塑料打印過程中均無無菌控制的要求，而由于生物打印系統(tǒng)中含有大量的活細(xì)胞，無法進(jìn)行二次滅菌處理，故在打印過程中應(yīng)進(jìn)行無菌控制，以保證產(chǎn)品的無菌。如艙室系統(tǒng)的進(jìn)出分系統(tǒng)均有高效過濾裝置，保證內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)的空氣潔凈度級(jí)別達(dá)到對(duì)應(yīng)的無菌要求。在整個(gè)無菌艙室中應(yīng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的氣流測(cè)試，以保證在艙室內(nèi)無氣流死角，防止細(xì)菌的滋生和蔓延。同時(shí)由于供料系統(tǒng)軟管內(nèi)均接觸到對(duì)應(yīng)的活細(xì)胞及凝膠物料，均應(yīng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的無菌化處理和控制，保證產(chǎn)品的無菌性能。

3.1.2 多噴頭打印

在打印控制參數(shù)中有噴頭規(guī)格大小，噴頭內(nèi)徑的粗細(xì)選擇，相對(duì)應(yīng)的噴頭的位置以及切片的參數(shù)，同時(shí)包括運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。如走絲的間距，每層的厚度，打印物料的擠出速度擠出速率等。

擠出生物打印通過構(gòu)建模型號(hào)將凝膠液化，噴嘴溫度設(shè)置為液化溫度，逐點(diǎn)擠出在固定的位置上。然后通過低溫艙室進(jìn)行凝膠的固化。等上一層的凝膠固化后，再打印下一層的凝膠。

在實(shí)際打印過程中，由于生物組織材料的復(fù)雜性，不同區(qū)域需打印不同配比和種類的材料、細(xì)胞，所以在實(shí)際打印過程中，多需采用多噴頭組合打印的方式，不同噴頭對(duì)應(yīng)不同的組織材料。

當(dāng)設(shè)定程序中到達(dá)某一指定位置后，需切換到不同的打印組織時(shí)，打印噴頭開關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉回位。另一個(gè)噴頭經(jīng)過XY方向的自動(dòng)誤差補(bǔ)償，來到指定的位置繼續(xù)后續(xù)打印，以形成生物組織的復(fù)雜梯度要求和精度控制要求。

3.1.3 工藝要求

通過前期多方的試驗(yàn)、驗(yàn)證研究，生物打印建立的三維空間結(jié)構(gòu)和孔隙組織，對(duì)細(xì)胞的有著良好的誘導(dǎo)和保護(hù)作用，在打印過程中不同的工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的最終性能均有不同的影響。如噴頭直徑不同，造成的凝膠流速不同，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的凝膠濃度、打印速度、打印絲距均有發(fā)生變化，故有必要對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行研討和驗(yàn)證，以明確合理的打印工藝窗口。打印過程參數(shù)包括XY軸移動(dòng)速度、層厚、擠出速度、絲間距、噴頭溫度、成型室溫度、延遲時(shí)間、凝膠濃度等相應(yīng)參數(shù)，明確對(duì)應(yīng)的打印參數(shù)之間的相互作用關(guān)系，形成合理的工藝窗口。

3.1.3.1絲間距

水凝膠擠出到指定凝固層，從液態(tài)變成固態(tài)需要一定的固化時(shí)間。從噴嘴出來的絲橫截面近乎于圓形。絲到達(dá)固定位置時(shí)，由于重力作用絲橫截面形狀會(huì)改變?yōu)榻鼨E圓形。當(dāng)絲間距設(shè)置過小時(shí)，從噴頭擠出的絲會(huì)由于重力作用變形，相近的絲可能發(fā)生粘連造成孔隙的消失，影響后期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞，最終導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡。

絲間距設(shè)置過大時(shí)，由于從噴頭擠出到固化需要相應(yīng)的時(shí)間，造成絲的懸空部分過長(zhǎng)，由于重力作用發(fā)生垮塌現(xiàn)象，造成斷絲現(xiàn)象，并隨著打印層數(shù)的不斷增加垮塌處越來越明顯，造成整個(gè)打印結(jié)構(gòu)的失真，最終導(dǎo)致打印的失敗。

3.1.3.2層高

層高設(shè)置對(duì)打印的影響巨大。當(dāng)層高設(shè)置過小時(shí)，針頭噴出的凝膠量過大，將針頭淹沒，在打印移動(dòng)中把該層的凝膠刮破帶跑。

當(dāng)層高過大時(shí)，凝膠從噴嘴到指定位置需相應(yīng)的時(shí)間，而在此過程中凝膠已固化，無法與下層凝膠組織產(chǎn)生良好的粘連作用，造成打印位置的偏移，結(jié)構(gòu)的失真，最終造成打印的失敗。

3.1.3.3填充結(jié)構(gòu)

不同的填充結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的打印要求。對(duì)于偏重于結(jié)構(gòu)精度的產(chǎn)品，多向重復(fù)掃描填充結(jié)構(gòu)可防止因某個(gè)打印點(diǎn)斷絲造成的結(jié)構(gòu)塌陷產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)影響，保證產(chǎn)品的精度。對(duì)于偏重于力學(xué)性能的產(chǎn)品，雙向掃描填充結(jié)構(gòu)可使整個(gè)空間的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，具有良好的支撐效果，便于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的滲透。

3.1.3.4噴嘴溫度

水凝膠在不同溫度下的狀態(tài)是不同的。當(dāng)噴嘴溫度過低時(shí)，水凝膠在噴嘴內(nèi)已部分的凝膠化，形成顆粒狀小顆粒，在擠出噴嘴時(shí)容易和噴嘴形成切割力。對(duì)凝膠造成剪切作用，使部分的物理性能下降，最終造成產(chǎn)品的物理性能不足，同時(shí)細(xì)胞也會(huì)在該過程中受到剪切力的損害。當(dāng)溫度過高時(shí)，噴嘴內(nèi)擠出的凝膠為純液體狀，在降落到指定位置時(shí)，無法形成對(duì)應(yīng)的絲狀結(jié)構(gòu)，而成為液體狀散布在指定區(qū)域四周，造成打印的失敗。

3.1.3.5材料濃度

水凝膠濃度與其具有的材料性能存在相互影響關(guān)系。濃度低時(shí)，凝膠成型差，需要凝成膠體的時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)應(yīng)的艙室溫度也需要更低，應(yīng)選擇合適的材料濃度，以達(dá)到最佳的凝膠時(shí)間。

3.1.3.6掃描速度

當(dāng)掃描速度過快時(shí)，絲狀凝膠尚未落到固定位置，而會(huì)發(fā)生偏移，形成結(jié)構(gòu)的失真。同時(shí)過快的掃描速度，導(dǎo)致絲內(nèi)部的張力過大，在成型后容易發(fā)生應(yīng)力變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和孔隙的消失。當(dāng)掃描速度過慢時(shí)，絲狀凝膠會(huì)發(fā)生堆積。堆積的部分凝膠會(huì)導(dǎo)致打印面的凹凸不平，使打印結(jié)構(gòu)缺失，同時(shí)堆積的凝膠可能會(huì)和噴嘴發(fā)生接觸，導(dǎo)致整個(gè)打印面的刮擦和破壞。

3.1.3.7打印艙室溫度和無菌控制

打印艙室的溫度與凝膠成型、細(xì)胞存活存在密切的關(guān)系。當(dāng)艙室溫度過高時(shí)，凝膠的成型速度降低，造成成型面無法按照預(yù)定時(shí)間固體化。部分區(qū)域仍為液體，接著下一層絲繼續(xù)覆蓋，形成垮塌造成整個(gè)打印面的破損，結(jié)構(gòu)的缺失。打印艙室溫度過低時(shí)，絲狀凝膠會(huì)迅速地進(jìn)行固體化。在打印過程中，凝膠離開噴嘴，迅速的凝固，造成絲材黏結(jié)力大幅度的下降。與下層的絲狀體無法形成牢固的連接，造成整個(gè)打印面的偏離和缺失。同時(shí)，艙室應(yīng)進(jìn)行無菌化的處理，染菌環(huán)境會(huì)導(dǎo)致部分的艙室會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的無菌狀態(tài)失效，待產(chǎn)品植入人體后，導(dǎo)致炎癥及其他的不良反應(yīng)。

3.1.3.8打印路徑的規(guī)劃

由于絲材打印有一定的延遲性，從噴頭降落到指定位置有延遲時(shí)間。當(dāng)遇到拐彎點(diǎn)時(shí)，應(yīng)設(shè)置有控制噴嘴關(guān)閉延遲時(shí)間，保證在拐點(diǎn)處沒有過量的凝膠堆積。

3.2 同軸擠出工藝

目前在擠出生物打印工藝，利用表面張力及剪切力獲取成型材料，但是無法獲得微小直徑的液滴。有研究團(tuán)隊(duì)，嘗試采用共軸氣流剪切方式獲取微小液滴，從而實(shí)現(xiàn)快速制造細(xì)胞包裹的微小凝膠球[2]。通過氣流剪切力，來克服凝膠與噴頭間的表面張力。在同軸噴頭中，噴頭外側(cè)噴射氣流，內(nèi)側(cè)噴射含細(xì)胞的水凝膠，實(shí)現(xiàn)了快速可控的微結(jié)構(gòu)生物打印。

在結(jié)構(gòu)上該打印噴頭與塑料軟管相連，每種塑料管內(nèi)有不同的材料。不同直徑的金屬毛細(xì)針管包含在噴頭內(nèi)部。金屬毛細(xì)管上連接頭與打印噴頭相連接，保證不同材料的擠出。噴頭與氣壓噴嘴相連通。

在實(shí)際打印過程中，噴頭直徑、氣壓對(duì)于成型尺寸有不同的要求。當(dāng)氣壓過大時(shí)，噴頭處的氣體流量迅速提高，在噴頭處產(chǎn)生的剪切力迅速增大，使液體形成液滴過小。氣壓過低時(shí)，液滴直徑過大，多細(xì)胞液滴含量迅速上升。當(dāng)噴頭直徑變小時(shí)，氣體經(jīng)過噴頭的剪切力迅速增大，液滴直徑變小，含單細(xì)胞的液滴數(shù)量迅速增大。

3.3 噴墨式生物打印

噴墨式生物打印主要分為熱泡噴墨和壓電噴墨打印方式。其中熱泡噴墨是在噴嘴附近利用加熱元件在腔體內(nèi)產(chǎn)生蒸氣泡，進(jìn)而帶動(dòng)氣泡，向下擠壓，推出生物墨水。壓電噴射生物打印主要是在噴嘴上方采用壓電陶瓷片，以金屬薄片復(fù)合。當(dāng)通電產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)后，膜片開始上下振動(dòng)，膜片下壓帶動(dòng)液體受擠壓。當(dāng)壓力超過液體表面張力的臨界值時(shí)，液滴從噴嘴擠出。當(dāng)膜片恢復(fù)形變液體腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，吸取儲(chǔ)液艙內(nèi)的液體補(bǔ)充腔體。這種打印方式產(chǎn)生的打印顆粒直徑微小，可用于生物傳感器的打印。噴墨打印需要的生物墨水黏度較低，不利于在加工過程中控制細(xì)胞包被。同時(shí)為了達(dá)到在成型面上的迅速固化，保證結(jié)構(gòu)精度，這類成型凝膠固化時(shí)間通常都極短，容易在打印過程中發(fā)生噴嘴堵塞，造成打印失敗等情況。

3.4 激光輔助生物打印技術(shù)

激光輔助生物打印技術(shù)使用激光源，通過激光直接照射玻璃基質(zhì)后的吸收層，吸收層對(duì)應(yīng)位置受熱后，使黏附在其上的生物墨水融化，噴射液滴到指定的位置[3]。該工藝打印速度快，激光不直接接觸細(xì)胞，受損害程度小，但是工藝局限性大，通用性差需要針對(duì)特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

激光輔助打印技術(shù)中，針對(duì)激光器有多種的激光參數(shù)需要進(jìn)行驗(yàn)證，包括但不限于激光波長(zhǎng)、激光能量、對(duì)應(yīng)的生物墨水的黏度、金屬吸收層的吸收系數(shù)等。當(dāng)激光單位能量密度過小時(shí)，金屬吸收層能量吸收過少，無法形成噴射液滴。激光能量密度過大時(shí)，生物墨水會(huì)在金屬黏附層直接爆裂，無法形成射流。應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，形成一個(gè)合理的工藝參數(shù)窗口。激光在加熱金屬吸收層時(shí)，會(huì)使金屬吸收層產(chǎn)生蒸發(fā)，導(dǎo)致打印物中含有金屬殘留物[4]。

3.5 光固化打印

光固化打印是采用照射源，照射液面，形成投影面。使被照射的液體材料（一般為光敏樹脂或光敏凝膠類物質(zhì)，包含細(xì)胞）形成對(duì)應(yīng)的固化層，逐層打印，最終形成樣品[5]。該打印方式相對(duì)擠出速度上有明顯的提高，但是光引發(fā)劑一般對(duì)細(xì)胞具有傷害作用，且光源直接照射到細(xì)胞表面，對(duì)細(xì)胞也具有一定的損傷作用。

在光固化打印中，應(yīng)考慮打印的層厚、曝光強(qiáng)度等。

3.6 靜電輔助打印

靜電輔助生物打印是在金屬噴頭與底板間制造一個(gè)高壓靜電場(chǎng)，使含有細(xì)胞的凝膠獲得電場(chǎng)力的作用，克服表面張力從而形成可調(diào)直徑打印材料的生物打印技術(shù)。相比傳統(tǒng)的技術(shù)及氣壓剪切擠出打印，由于電場(chǎng)力的可控可調(diào)，當(dāng)電場(chǎng)力的拉力與液體表面張力達(dá)到了一個(gè)臨界值，就會(huì)形成一個(gè)圓錐角，俗稱為泰勒錐[6]。電場(chǎng)力進(jìn)一步加大，隨后液滴離開噴嘴，噴射到底板上。

由于靜電場(chǎng)電壓可調(diào)，意味著電場(chǎng)力可以調(diào)節(jié)大小，以獲得更微小的噴射液滴直徑。同時(shí)由于凝膠為導(dǎo)電物質(zhì)，所以會(huì)在電場(chǎng)中形成電磁屏蔽，保證細(xì)胞不會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，對(duì)細(xì)胞不造成靜電場(chǎng)的傷害。應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①擠出氣壓。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，液滴直徑與擠出氣壓呈相關(guān)關(guān)系，氣壓越大液滴直徑越小。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，擠出氣壓對(duì)液滴造成的影響可以忽略。②電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度上升時(shí)，液滴直徑變小，當(dāng)上升到臨界值后，液滴的直徑不再變化。③噴嘴直徑。當(dāng)針頭噴嘴直徑變小時(shí)，液滴也變小，但具有一定的臨界值。

3.7 后處理

后處理主要采用了交聯(lián)的方式[7]。生物打印部分的原料經(jīng)過打印后，要進(jìn)行相應(yīng)的交聯(lián)，主要包含物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)兩種。物理交聯(lián)通過疏水作用、離子作用來發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，最大限度免于化學(xué)污染。另一種是化學(xué)交聯(lián)，通過化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到交聯(lián)，保證物理結(jié)構(gòu)性能的達(dá)標(biāo)。

3.8 材料

3.8.1 天然類原材料

生物材料包括天然衍生聚合物凝膠、膠原、殼聚糖。

目前廣泛用于生物打印的水凝膠溶液。水凝膠是作用于人體修復(fù)用的組織工程支架的基礎(chǔ)支撐材料，為誘導(dǎo)細(xì)胞的分化提供三維的基礎(chǔ)環(huán)境。水凝膠同時(shí)具有黏性和彈性，表現(xiàn)為蠕變等物理特性，在高溫狀態(tài)下變?yōu)橐簯B(tài)，而在低溫下凝固為固態(tài)。水凝膠內(nèi)液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟呐R界點(diǎn)，被稱為凝膠點(diǎn)。在30 C時(shí)，水凝膠不溶于水，當(dāng)溫度逐步升高，凝膠開始逐步分解。一般來說凝膠隨著溫度不斷升高，黏度也會(huì)相應(yīng)地上升。

還有海藻酸鈉溶液。海藻酸鈉粉末提取于天然海藻中，是細(xì)胞壁和細(xì)胞間間質(zhì)的組成部分，能接近于細(xì)胞外基質(zhì)。粉末無色無味，在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，具有性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。不同種類的天然海藻酸鈉由于采摘季節(jié)不同在分子排列上具有不同，應(yīng)保持海藻酸鈉粉末批間差的一致性。

3.8.2 化學(xué)合成類

一類是化學(xué)合成材料，如聚乙二醇等[8]。生物打印中，存在單純利用水凝膠（含細(xì)胞）進(jìn)行的生物打印，在結(jié)構(gòu)剛度、體內(nèi)代謝降解速度上存在改進(jìn)空間。目前已采用化學(xué)合成類材料加以改性，進(jìn)而提高材料性能。

3.8.3 細(xì)胞

細(xì)胞是生物打印中重要的組成部分，主要為原代細(xì)胞和干細(xì)胞[9]。干細(xì)胞能夠誘導(dǎo)、分化成多種功能性組織特異的細(xì)胞，而這些干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化需要一個(gè)穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)。有對(duì)應(yīng)的力學(xué)反饋、化學(xué)信號(hào)刺激，進(jìn)行誘導(dǎo)和分化[10]。由于打印主要使用自體干細(xì)胞來源，可以大大避免排異反應(yīng)帶來的免疫難題，是極有價(jià)值的應(yīng)用方向。對(duì)于使用來自異體的胚胎干細(xì)胞存在較大的倫理爭(zhēng)議及遠(yuǎn)期的免疫排斥風(fēng)險(xiǎn)，故不建議考慮。

4.展望

有部分專家學(xué)者進(jìn)一步提出了原位生物打印的概念，在人體內(nèi)部重新構(gòu)建對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提供人體內(nèi)所特有的電化學(xué)刺激信號(hào)等，模擬完善了人體的生物、化學(xué)反應(yīng)過程，為細(xì)胞的誘導(dǎo)分化提供了必要的環(huán)境，這是下一步的研究方向。只有對(duì)于生物打印工藝的不斷探索和總結(jié)，才能為后期大規(guī)模的臨床應(yīng)用開辟道路和指引方向。