基于扩散的生物打印策略，控制可打印性和结构特性

在生物打印中，将生物材料和细胞按特定设计逐层堆积，构建具有复杂结构和功能的三维组织结构。微挤出生物打印是最常用的方法，其核心是生物墨水，它由聚合物材料和细胞组成。然而，为了确保生物墨水的可打印性和最终结构的稳定性，需要对其特性进行调整。这就是扩散在生物打印中发挥关键作用的地方。以下将详细介绍向墨水中扩散策略的几种主要应用：

1. 原位凝胶化

原理：

将未交联或部分交联的墨水挤出到一个含有交联剂的环境中，使交联剂扩散到墨水中，引发凝胶化，从而稳定打印结构。

方法：

    挤出墨水到交联剂溶液中：例如，将未交联的海藻酸盐墨水挤出到含有钙离子的溶液中，钙离子会扩散到墨水中，引发海藻酸盐的交联，形成稳定的凝胶结构。

共轴生物打印：使用共轴喷嘴同时挤出墨水和含有交联剂的溶液，使交联剂在挤出过程中与墨水直接接触，从而实现原位交联。例如，将含有海藻酸盐的细胞负载墨水与钙离子溶液共轴打印，钙离子会直接与海藻酸盐反应，实现原位交联。

优势：

    提高可打印性：未交联或部分交联的墨水更容易挤出，从而提高打印精度和形状保真度。

    提高结构稳定性：交联后的结构更加稳定，从而防止结构塌陷或分层。

挑战：

    细胞兼容性：一些交联剂可能对细胞有害，需要开发更细胞友好的化学物质。

扩散控制：需要精确控制交联剂扩散速率，以避免过快凝胶化导致堵塞喷嘴或层间剥离。

2. 其他原位凝胶化机制

除了交联剂扩散引发凝胶化，还可以利用其他机制实现原位凝胶化：

pH 敏感性：一些生物材料对 pH 值敏感，例如胶原蛋白在碱性环境中会自组装成纤维状结构。例如，将胶原蛋白墨水挤出到含有 HEPES（一种缓冲剂）的凝胶微球支持浴中，HEPES 会扩散到墨水中，使胶原蛋白发生凝胶化。

催化作用：一些生物材料可以与催化剂发生反应，引发凝胶化。例如，将含有酚羟基聚合物的生物墨水挤出到含有过氧化氢的空气中，过氧化氢会扩散到墨水中，被墨水中的过氧化物酶催化，引发酚羟基的交联，形成稳定的凝胶结构。

3. 改变交联形成

除了原位凝胶化，还可以通过扩散改变已打印结构的交联程度：

浸泡：将已打印的结构浸泡在交联剂溶液中，使交联剂扩散到结构中，引发进一步的交联。

扩散破坏交联：将已打印的结构浸泡在可以破坏交联的溶液中，例如含有乙二胺四乙酸 (EDTA) 的溶液，EDTA 会与钙离子结合，从而破坏海藻酸盐的交联，使结构变得可渗透或形成孔洞。

4. 引入额外的功能

向墨水中扩散不仅可以改变墨水的特性和结构的稳定性，还可以引入新的功能：

改变形状和形态：例如，将含有海藻酸盐-甲基纤维素结构的打印结构浸泡在钙离子溶液中，由于收缩和交联的差异，结构会发生变形。

改变组成和微观结构：例如，将含有聚丙烯酰胺网络的打印海藻酸盐-果胶水凝胶结构浸泡在含有丙烯酰胺单体、交联剂和催化剂的溶液中，丙烯酰胺会扩散到结构中，与交联剂和催化剂反应，形成聚丙烯酰胺-海藻酸盐双网络水凝胶，增强水凝胶的韧性。

改变机械性能和生物功能：例如，将含有与肽偶联的透明质酸的打印结构浸泡在含有配体肽的溶液中，配体肽会扩散到结构中，与肽结合，从而改变结构的机械性能和生物功能。

总结

向墨水中扩散是生物打印中一种强大的策略，可以用于控制生物墨水的特性和最终结构的性能。通过精心设计扩散策略，可以制造出更复杂和功能化的组织结构，为再生医学和组织工程领域带来新的机遇。

参考文献

Cai B, et al. Diffusion-Based 3D Bioprinting Strategies. Adv Sci (Weinh). 2024 Feb;11(8):e2306470.