《Materials & Design》：Continuous bath embedded bioprinting for high-fidelity biofriendly fabrication of complex tissues
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本文推薦一項突破性生物制造技術——連續浴嵌入式生物打印。針對傳統嵌入式打印因長針頭導致定位誤差大、材料浪費多的問題，研究團隊提出CBEB策略，將靜態支撐浴轉變為動態生成的局部介質，通過超短針頭實現亞微米級精度，并將浴材料消耗降低約68%。該技術成功打印出血管網絡、心臟瓣膜及微型心臟等多尺度結構，打印后心肌細胞存活率超過80%，為構建層次化功能組織提供了可擴展的高精度平臺。
在再生醫學與器官工程領域，精確構建具有復雜三維結構和細胞功能的活體組織一直是核心目標。擠出式生物打印因其廣泛的材料兼容性和連續沉積能力而被廣泛采用，然而，傳統方法受重力塌陷和支撐材料依賴性的限制，難以穩定打印懸空、中空或多層交織的復雜幾何結構。嵌入式生物打印通過將生物墨水擠入流變可調的支撐浴中，實現了無需外部支撐的打印，極大地擴展了可打印結構的自由度。盡管如此，現有技術仍面臨一個根本性瓶頸：長針頭（通常25–50 mm）在粘性浴中三維運動時，流體阻力和彎曲變形會引入不可忽視的位置誤差；同時，長流道增加了擠出系統的響應時間，降低了擠出啟停控制的精度；此外，大體積的支撐浴導致材料消耗巨大，尤其對于昂貴或精細調配的流變體系構成了主要限制。
為了克服這些挑戰，中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室的研究團隊在《Materials 》上發表了一項創新研究，提出了連續浴嵌入式生物打印策略。該研究旨在重新定義嵌入式打印的機械與流變學基礎，為構建復雜生物組織提供一個高精度、高效率的平臺。
研究人員主要采用了以下幾項關鍵技術方法：1. 多打印頭協同平臺：使用配備五個獨立工作站的SIA Bioprinter PRO生物打印機，配置多個電動擠出打印頭，分別裝載生物墨水、殼層材料和浴材料，實現“殼-浴-生物墨水”三層的循環沉積。2. 動態局部浴生成技術：將支撐浴從靜態容器轉變為打印過程中動態參與、局部限制的介質，通過打印殼層來局部限制浴體積。3. 超短針頭應用：采用長度約3 mm的超短針頭進行打印，以抑制針頭變形引起的誤差。4. 材料系統與表征：制備了明膠微球乳液作為液體浴材料，并采用光敏性膠原（NorCol， Norbornene-modified collagen）作為生物墨水；使用流變儀對材料進行了全面的流變學表征。5. 光交聯固化：打印后使用405 nm紫外光源進行光交聯，以固化結構。
研究結果
2.1. 精度優化
通過對液體浴材料進行流變學表征，確認其符合作為支撐液體浴的要求。使用混合紅色熒光染料的NorCol墨水在液體浴內打印，微觀成像定量評估顯示，擠出絲具有高打印保真度。在傳統嵌入式打印中，長針頭在浴中的運動會造成顯著的位置誤差，有限元分析模擬也證實了針頭變形隨長度增加而增大。在CBEB過程中，最關鍵參數是每個打印周期中的浴高度，實驗確定3 mm為最佳浴高度，據此可將針頭長度設為3 mm，其最大變形小于1 μm，可忽略不計。
3. 工藝對比分析
與逐步浴嵌入式生物打印方法相比，CBEB在打印標準管狀結構時顯示出更小的誤差和變異性，外觀、精度和結構穩定性均更優。相較于傳統嵌入式打印，CBEB通過使打印的殼層動態適應打印物體的幾何形狀，消除了不必要的浴體積，對于復雜結構，浴材料與生物墨水的體積比從5.0降至1.6，實現了約68%的材料節省。
3.1. 復雜打印演示
通過單材料和多材料打印測試，驗證了CBEB工藝打印復雜結構的能力。成功打印了中空金字塔、DNA雙螺旋、多種構型的小尺度血管模型以及心臟瓣膜結構。在多合一收斂打印模式下，短針頭在切換材料和梯度材料打印中表現出顯著優勢，能夠更真實地再現預期的控制輪廓，打印出具有清晰顏色過渡的玫瑰模型以及具有紅綠漸變條紋的花瓶和心臟模型。
3.2. 載細胞生物打印性能
在高細胞密度條件下，比較了長針頭和短針頭擠出后的細胞活性，結果顯示通過短針頭擠出的細胞活性顯著更高。使用載有心肌細胞的NorCol生物墨水進行心臟組織定向打印測試，成功打印了心室結構、膠原-硅膠復合心室結構以及一個完整的膠原心臟模型。活/死染色評估顯示，打印后7天，細胞活性仍保持在80%以上。
研究結論與討論
本研究所提出的CBEB工藝，通過多打印頭平臺循環構建局部浴系統，解決了傳統嵌入式打印使用長針頭固有的精度損失和材料浪費問題。CBEB將嵌入式打印的支撐浴從“被動容器”重新定義為“動態生成、局部限制的介質”，其性能提升根本上源于對“局部浴穩定性”的重新定義，而非依賴“全局浴體積穩定性”。從流體力學角度，CBEB通過將浴高度限制在約3 mm，顯著降低了主導誤差放大因子——針頭長度，從而將針頭變形限制在微米級，有效消除了針頭柔性引起的累積定位誤差。
此外，“連續浴”機制僅需維持超過墨水擠出閾值的屈服應力即可提供足夠支撐，確保了懸浮和層間完整性。與SBEB方法相比，CBEB通過協調的多打印頭操作自動更新浴和殼層，避免了液體擾動帶來的累積效應，顯著提高了精度和結構穩定性。CBEB框架還具有多種內在優勢：短針頭大幅減少了擠出壓降和剪切速率梯度，最大限度地減少了沉積過程中的細胞損傷；更短的流道意味著更短的傳輸弛豫時間，有利于高頻啟停控制以及快速材料切換和梯度打印；浴體積動態適應打印幾何形狀，大大減少了浴材料消耗。
值得注意的是，CBEB本質上是與“多組分或梯度打印頭”兼容的，這為多材料和梯度組織制造開辟了新路徑。總之，通過引入“連續浴”概念，CBEB重建了嵌入式生物打印的機械和流變學基礎，在復雜生物結構制造中實現了高精度、高效率和低材料消耗，為體外構建多層和多材料組織器官提供了新的技術框架。該研究確立了一個可擴展、多功能的平臺，對下一代再生醫學具有重要意義。
