复杂器官的组织有以下重要特点［47]：①三维结构；②要求有实现器官特定功能的特殊微结构；③由多种类型的细胞和细胞外基质组成；④有用于供养器官内细胞的复杂血管网。图5-32 一体化生物制造系统随着细胞打印概念的提出，人们尝试采用了多种不同技术打印细胞，如喷墨式打印、机械压挤式打印、电喷射式打印和激光诱导式打印等。......
2023-06-15
喷墨式细胞打印自由成形优化方案
【摘要】：Boland最先采用喷墨技术进行细胞打印，并打印出内皮细胞、微脉管系统、平滑肌细胞、羊水源干细胞等。喷墨技术在打印细胞的可行性和可靠性方面均已得到验证，但在如何处理活细胞方面还有局限性：①热泡喷墨打印时，喷嘴局部区域的最高温度在300℃以上，且存在着较大的剪切应力，因而需要考虑如何减少打印过程中的机械和热环境对细胞的损伤；②大多数哺乳动物细胞较为脆弱，易受到环境的影响，在喷墨打印过程中难免会受到损伤。
喷墨式（inkjet）细胞打印是最早应用于细胞打印的技术，由传统的喷墨打印技术发展而来，不仅可用于细胞打印，在生物传感器、生物芯片、DNA分析、电子制造业等领域也有广泛的应用。其原理是利用热泡技术或压电技术，促使液体通过受计算机控制的喷嘴产生液滴，按预先设定的三维结构喷射液滴。打印机中的“墨水”由细胞、细胞培养液或凝胶前驱体溶胶三者的混合体构成。Boland最先采用喷墨技术进行细胞打印，并打印出内皮细胞、微脉管系统、平滑肌细胞、羊水源干细胞等。目前用于细胞打印的喷墨打印机主要采用热泡喷墨（见图5-33）或压电喷墨（见图5-34）技术。与热泡喷墨打印技术相比，压电喷墨打印技术的应用范围更广、打印速度更快、对生物材料的损伤更小（热泡喷墨打印中，喷嘴内局部的最高温度可达300℃，有可能破坏细胞或生物材料的内部结构）。
图5-33 热泡喷墨式细胞打印
图5-34 压电式喷墨细胞打印
喷墨细胞打印技术的优点主要有：①液滴的体积可小至1pL，此体积与单个细胞的体积相近（＜1pL），因此喷墨技术具有打印单细胞的潜能；②喷墨打印的工作频率可达60kHz，效率高；③构造三维组织结构时，无需掩膜，构建过程简单，有利于组织工程的简单化；④可安装多个喷头，同时打印多种细胞、细胞外基质和生物材料，例如，Xu等采用喷墨打印技术同时打印了人羊水源干细胞、平滑肌细胞和牛主动脉内皮细胞；⑤喷墨打印机本身有内置的网络与计算机连接，可实现计算机辅助组织工程。
喷墨技术在打印细胞的可行性和可靠性方面均已得到验证，但在如何处理活细胞方面还有局限性：①热泡喷墨打印时，喷嘴局部区域的最高温度在300℃以上，且存在着较大的剪切应力，因而需要考虑如何减少打印过程中的机械和热环境对细胞的损伤；②大多数哺乳动物细胞较为脆弱，易受到环境的影响，在喷墨打印过程中难免会受到损伤。虽然有研究表明某些细胞在喷墨打印后仍然有很好的活性，但细胞存活率仍然受到质疑；③喷嘴的尺寸与细胞的尺寸相近，故在打印过程中容易出现堵塞现象，影响打印效率，同时也限制了溶液中细胞的浓度（＜106cell／mL）及喷墨打印技术的分辨率（＞100μm）。有研究者提出采用尺寸较大的喷嘴，以提高溶液中细胞的浓度，降低喷嘴处的剪切应力对细胞的损伤，但这同时也带来了分辨率降低的弊端。
本章参考文献［47]中，作者采用Micro-Fab公司MJ-AB-01型单喷嘴压电式喷头进行了细胞打印研究，在10kHz的频率、40～80V的驱动电压下，用60μm直径的喷嘴向细胞培养孔板表面分别喷射牛的软骨细胞和人的造骨细胞的悬浮液，打印的液滴如图5-35所示。
图5-35 打印的细胞悬浮液液滴
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