液滴式生物3D打印，在细胞级别精确操控生物材料和细胞

来源：EngineeringForLife

生物打印技术近年来迅速发展，成为再生医学、组织工程和药物研发等领域的关键工具。其中，滴液式生物打印（Droplet-based Bioprinting, DBB）因其能够在细胞级别精确操控生物材料和细胞，展现出独特的优势。然而，该技术在生物墨水的粘度范围、细胞浓度、打印精度以及可重复性等方面仍面临挑战。因此，深入探讨DBB的技术原理、优化策略及其应用前景，对于推动生物打印技术的发展具有重要意义。

基于此，来自宾夕法尼亚州立大学的Ibrahim T. Ozbolat团队全面介绍了滴液式生物打印（Droplet-based Bioprinting, DBB）技术，包括其技术原理、实验设置、生物墨水选择、打印参数优化以及在多个领域的应用前景。相关综述论文以“Droplet-based bioprinting”为题于2025年4月24日发表在《Nature Reviews Methods Primers》上。

1.DBB技术：生物打印新势力
生物3D打印旨在利用生物材料与细胞构建三维结构，而DBB凭借细胞级操控精度与高通量构建能力脱颖而出。它能将生物墨水精准“喷洒”成微滴，在培养皿上按预设模式层层堆叠，最终形成复杂组织结构。与传统挤出式生物打印相比，DBB对细胞造成的剪切应力更小，细胞活性与生存率更高，并且能够灵活处理多种生物材料，为构建异质组织模型提供可能。

2.DBB的种类与原理
图1展示了典型的DBB实验装置，包括生物墨水存储器、喷头、压力控制系统、运动控制系统、高速摄像机、软件和环境控制系统等。这些组件协同工作，实现了对液滴生成和喷射的精确控制。

图1 典型的基于液滴的生物打印实验装置

作者总结了四种主要的生物打印模式及其五种DBB子模式的工作原理（图2）。挤出式生物打印（EBB）使用气动活塞或螺旋进给机构产生生物墨水的连续流；DBB和激光生物打印（LaBB）产生生物墨水的液滴，其中LaBB利用聚焦在吸收层上的激光产生压力，将生物材料移动到接收表面；光基生物打印（LiBB）利用图案化光刺激光交联生物墨水。DBB的五种子模式包括喷墨、声波、声流控、微阀和电静液生物打印，每种子模式都具有独特的液滴生成机制和应用场景。

图2 生物打印模式

3.生物墨水的选择与特性
DBB的实施离不开生物墨水，其需满足低黏度（通常小于20 mPa・s），以保障在喷嘴与管路系统中顺畅流动，防止堵塞，确保液滴大小均匀、稳定；同时又要具备高机械强度，为打印结构提供支撑。此外，生物墨水还应具备rheopectic行为，即在喷射时受应力作用黏度增加，助力液滴成型；需可生物降解，以便组织再生，且在打印后维持结构直至足够组织形成；要能稳定形成液滴并与基底相互作用，使3D构造与设计契合；必须促进细胞活性与增殖，保护细胞免受机械、热应力，化学作用，蒸发以及温度与pH波动影响。

常见的生物墨水包括细胞外基质（ECM）的天然或修饰组分，如海藻酸盐、纤维蛋白、胶原蛋白、琼脂糖和甲基丙烯酰化明胶等。海藻酸盐成本低廉、生物相容性好，低浓度时生物打印性能优异，凝胶速度迅速且弹性适中，无免疫原性。纤维蛋白支持细胞生长，可用于伤口愈合领域。胶原蛋白是ECM的天然组分，在生理条件下易交联，适用于皮肤、软骨、神经与血管组织的生物打印。

4.DBB工艺优化
DBB的精度与质量受多种因素影响，工艺优化至关重要。在此部分，作者主要总结了三点：

（1）控制软件与参数调节：软件需同步控制喷头运动、液滴喷射与相机系统。关键参数包括喷嘴直径、喷头速度、喷嘴与基底间距、生物墨水与基底温度、层间距、施加压力、阀门驱动参数等。通过调整这些参数，可精准控制液滴的形成、飞行轨迹、基底相互作用以及交联过程。

（2）液滴可视化技术：采用高速相机与激光束，对飞行中的液滴进行实时成像，分析液滴的直径、纵横比、速度、是否含有卫星液滴等参数，以优化打印参数，提升打印质量。

（3）基底选择与处理：基底在DBB过程中起着至关重要的作用。图3展示了DBB对不同要求的适用性，包括温度依赖性生物墨水、低粘度和高粘度生物墨水、高精度需求、低细胞密度和高细胞密度生物墨水、高速生物打印以及非平面基底等。基底材料涵盖水凝胶、涂覆于玻片的薄胶原层等。不同基底的润湿性、粗糙度等特性会显著影响液滴的铺展、溅射行为，进而影响打印结构的精度与功能。

同时，作者早图4和图5分别展示了DBB中液滴的形成过程及与基底的相互作用、液滴的交联方法。图4描绘了从喷嘴推出液柱，到液柱拉伸、断裂形成主液滴和卫星液滴，再到液滴在基底上铺展、沉积或发生溅射等行为的过程，这些过程受液滴特性（如尺寸、速度、形状）及基底特性（如润湿性、粗糙度）的影响。液滴交联的多种方式，包括化学交联、物理交联、光交联和热交联等，这些方法通过化学反应或物理作用使液滴固化，形成稳定的3D结构（图5）。对深入理解液滴形成、相互作用及交联机制，优化DBB工艺参数、提升打印质量和效率具有重要意义。

图3 各种基于液滴的生物打印模式对特定要求的适用性

图4 液滴形成和与基底的相互作用

图5 不同的交联方法

5.液滴特性和打印保真度
DBB打印精度和形状保真度的评估方法涵盖了重复打印方形网格评估打印机精度、测量液滴直径和间距评估液滴均匀性、利用高速摄像机和激光束测量液滴速度和质量、以及评估细胞封装效率和细胞活性等方面（图6）。这些评估手段为DBB的打印质量提供了全面的量化依据，帮助研究人员深入了解打印过程中液滴的行为，进而优化打印参数，提升打印结构的精度和保真度，确保最终的生物打印构造能够满足设计要求和功能需求。

图6 液滴特性和打印保真度

6.DBB在生物医学领域的多样化应用
最后，作者展示了DBB在生物医学领域的多样化应用实例（图7），包括打印肾细胞以形成具有可灌注管腔的肾小管样结构，助力器官芯片开发；精准打印单细胞以研究细胞在特定微环境中的分化和迁移行为；利用双喷嘴系统构建包含肿瘤细胞和基质细胞的肿瘤微环境模型；在手术中直接对皮肤缺陷进行原位生物打印以促进伤口愈合；以及高通量制备3D微组织芯片用于药物筛选。这些应用展示了DBB技术在组织工程、疾病建模、药物研发和再生医学等领域的广泛潜力，为生物医学研究和临床治疗提供了新的解决方案和工具。

图7 基于液滴的生物打印的应用领域

尽管DBB技术取得显著进展，但仍面临诸多挑战。其生物墨水黏度适用范围较窄，限制了部分高黏度生物材料的应用；喷嘴易堵塞，影响打印连续性与稳定性；细胞在墨水中的分布与包裹精度有待提高，且细胞活性与功能在打印过程中可能受损。为突破这些瓶颈，研究者们正积极探索创新解决方案。一方面，开发新型生物墨水与打印材料，拓展DBB的材料选择范围；另一方面，优化打印设备与工艺参数，提升打印精度与效率；同时，加强跨学科合作，融合机械工程、材料科学、生物学等多领域知识，共同推动DBB技术迈向新高度。

展望未来，DBB技术有望在自动化、人工智能集成以及多模态融合等方面实现重大突破，进一步提升生物制造的智能化水平，助力构建更精准、复杂的生物系统，为人类健康事业创造更大价值。图8展示了基于人工智能的DBB参数优化过程，通过实时分析液滴特征，自动调整打印参数，实现对液滴特性的精确控制。这一技术的发展将进一步提升DBB的打印质量和效率，为未来生物制造的智能化发展奠定基础。

图8 液滴的原位图像和视频分析

参考资料：https://doi.org/10.1038/s43586-025-00394-y