生物墨水是生物印刷机的“长丝”。您是否想知道它们内部有什么或它们如何工作？让我们带您参观。

BIOINK –简单解释

背景

Bioink是使用3D打印技术生产工程（人造）活组织的材料。它只能由细胞组成，但是在大多数情况下，还会添加包围细胞的其他载体材料。这种载体材料通常是生物聚合物凝胶，可充当3D分子支架。细胞附着在这种凝胶上，这使它们能够扩散，生长和增殖。

重要的是，凝胶还可以在印刷过程中为细胞提供保护。它的重要性是如此之高，以至于术语“生物墨水”通常被用来单独描述载体材料，而与可能在其上生长的细胞无关。

BIOINK –简单解释

生物油墨是凝胶，而不是细丝！

具有三个挤出机的3D生物打印机。资料来源：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，使其成为水凝胶。这种水凝胶在工程组织的机械稳定性中起主要作用，这将影响被生物打印物体的3D逼真度。

任何凝胶的关键特性之一是当施加必要条件时能够在液体状和固体状之间转换的能力。我们如何驱动这种“溶胶-凝胶”转变取决于所考虑的凝胶系统。反过来，这将决定所使用的确切生物打印技术。

在这里，我们仔细研究基于挤出的系统中生物墨水背后的聚合物配方，这是zui常见的。

微妙的平衡

为了在FDM打印机中制造零件，我们使用温度来利用热塑性塑料中的相变。当它们穿过挤出机时，我们将它们从固态驱动到熔融态。然后它们在冷却时再次变得坚固。同样，生物墨水必须经历某种形式的相变，以使其在空间中准确分布。

热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（我们提到过“非常”吗？）。生物油墨中的聚合物必须能够形成相当坚固的稠度凝胶，因为这将使印刷保真度更高。

但是，凝胶中的聚合物无法形成紧密而僵硬的网络，无法从字面上囚jin细胞。网络必须在材料特性上达到*点：它应能够实现高保真度的打印，但又要足够灵活以适应营养液的流动和扩散以及细胞的移动。

为了实现这一点，需要控制使水凝胶经历这些相变的化学或物理因素。另外，这应该在打印过程中同时保持细胞存活的同时发生。如您所见，这种因素的平衡比人们想象的要困难得多。

融化生物墨水

基于藻酸盐的聚合物网络，展示了细胞和营养物质扩散通过的多孔结构。资料来源：materialstoday

通过温度控制胶凝的可能性之一。例如，明胶就是这种情况，明胶是某些生物墨水的基础材料。

像在FDM中一样，挤出机可以包含一个会稍微提高温度的加热元件。关键是要部分熔化聚合物，使其通过喷嘴。

自然，挤出机上生物墨水所经受的温度不能太高，否则会煮熟细胞。这意味着并非所有的聚合物都足以用作采用这种挤出系统的生物打印机的生物墨水。

稀释生物墨水

在培养皿上对冠状动脉进行生物打印来源：https：//directorsblog.nih.gov/

引起所谓的溶胶-凝胶转变的其他形式依赖于称为“剪切稀化”的现象。一些凝胶在遇到剪切应力时变得更像液体。

一个例子是天然酸奶，它具有坚固的凝胶稠度，直到您决定混合为止。旋转勺子几圈后，由于勺子运动而产生的所有剪切力会使酸奶变得更像液体。但是，并非所有的凝胶都具有这种特性。尝试用明胶做同样的事情，看看是否行得通……

剪切印刷

由于生物墨水储罐的安装压力，旨在通过剪切变稀的生物墨水可以通过狭窄的喷嘴加速。剪切是由于凝胶在针状喷嘴的壁上摩擦而引起的。凝胶中增加的流动性使其可印刷。

当生物墨水到达打印床时，它停止经历明显的运动。这样，剪切应力急剧下降，从而导致快速胶凝。由于此方法不需要提高温度，因此通常是对细胞友好的方法。

细胞健康

但是，材料在通过挤压系统时受到的剪切力通常对细胞的健康影响可以忽略不计。当在细胞的层面上进行讨论时，像细胞碰撞到墙壁上这样的相互作用通常会被低估。

在这里，凝胶的粘弹性能有助于减少剪切力，剪切力与细胞通过狭窄通道时所经历的摩擦有关，从而导致它们变形。凝胶的干预方式与减震器有助于缓解颠簸道路上的汽车行驶方式相同。它有助于消散可能有害的动能形式。

细胞吞噬了周围的环境

在生物反应器中生长28天后，3D生物打印的血管的结构，聚合物基质显示为蓝色，细胞显示为红色。资料来源：organovo

安全地将细胞穿过喷嘴传递到印刷床中，这只是bioink的任务之一。另一个是充当细胞的食物来源，或者至少要使其降解。

随着细胞的生长和增殖，它们通常会改变其环境。它们吸收在外部发现的物质，代谢它们，然后释放出不同的物质。

实际上，细胞产生和排出的许多物质不一定等同于需要清除的有毒物质。相反，他们也要照顾当地环境。他们还对其进行回收，并产生一种物质矩阵围绕它们并增加其生存的机会。

这种细胞外基质是细胞所需的物质，它们通常自己生产。因此，好的人造组织是所有人造元素都已被天然元素替代的组织。这实现了3D生物打印的关键应用之一，即植入人工产生的器官或身体部位。

成分表

基于透明质酸（HyStem）的水凝胶的示意图。资料来源：sigmaaldrich

通常，生物墨水依靠几种聚合物的组合来达到某种中间地带，在这种中间地带中要考虑到化学，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：

• 琼脂糖  是从海藻中获得的海洋多糖。由于其令人称赞的生物相容性和凝胶化特性，它一直以来都是人们的zui爱。但是琼脂糖不能为细胞提供移动所需的必要锚定点。因此，它通常出现在与其他聚合物混合在一起的生物油墨中。
• 海藻酸盐是另一种植物海洋生物聚合物，可以从周围的介质中截留水和营养。此属性是3D生物打印的理想选择，因为营养素的有限扩散是细胞在致密结构（例如活组织）内部面临的大障碍之一。
• 胶原蛋白（俗称明胶）是生物墨水的另一种常见成分。您可以在动物的肌肉和肌腱中找到大量的胶原蛋白，这并非偶然。胶原蛋白具有坚硬的纤维分子结构，具有出色的粘弹性，增强了发现胶原蛋白的组织的机械稳定性，并且细胞喜欢粘附在其上。如今，您可以找到合成的胶原蛋白变体，这些变体具有天然物质的许多特性，而不必杀死动物。
• 透明质酸  是动物细胞胞外空间中普遍存在的分子，是关节软骨的重要组成部分。它是一种嗜水分子，被发现后被昵称为“黏性分子”。尽管其一致性在3D生物打印中并不总是理想的，但是许多细胞都喜欢它。这就是为什么在生物油墨中可以找到具有增强的机械性能的透明质酸人工变体的原因。

生物墨水的成分列表与您可以在FDM打印中使用的材料*匹配。从涉及凝血的蛋白质到纤维素或丝绸，您还可以添加纯合成材料，例如聚乙二醇（PEG），Pluronic或其他甲基丙烯酸酯。随着3D生物打印研发工作的发展以及对个性化医学的兴趣进一步发展，我们可以预期，生物墨水的市场将在未来几年中得到极大的扩展。