生物打印机技术及应用简介

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：图5-41和图5-42分别是富奇凡公司生产的MAM型和PAM型生物打印机。图5-40 Organovo NovoGen MMX生物打印机图5-41 富奇凡公司MAM型生物打印机本章参考文献［47]详细描述了一种PAM型微注射器式生物打印机的结构和主要技术参数。图5-42 富奇凡公司PAM型生物打印机图5-43 PAM型微注射器式生物打印机结构图5-44是用PAM型微注射器式生物打印机打印小直径血管的过程［48]：①设计血管模型，其中，1为琼脂糖柱，2为小直径的多细胞柱。图5-46是一种喷墨式生物打印机，它采用压电式喷头。

图5-40是美国Organovo NovoGen MMX生物打印机。

图5-41和图5-42分别是富奇凡公司生产的MAM型和PAM型生物打印机。

图5-40 Organovo NovoGen MMX生物打印机

图5-41 富奇凡公司MAM型生物打印机

本章参考文献^［47]详细描述了一种PAM型微注射器式生物打印机的结构和主要技术参数（见图5-43）。其中，1为4个注射筒，每个注射筒的容积为5mL或10mL，用于装填液态的细胞悬浮液、未经交联反应的水凝胶前驱体或生长因子；2为4通道注射头阵列，在此阵列上还安装了超声波测距仪，用于检测注射头喷嘴（针头）与基板之间的距离；3为安装注射头的X-Y水平工作台，用于控制喷射位置；4为垂直工作台；5为与垂直工作台相连的靶台，可沿垂直方向运动；6为位于靶台上的基板；7为高速摄像机，用于检测喷射液滴的尺寸（另外还有两个监视工作台运动和打印组织结构的摄像机）；8为垂直工作台加热器（温度范围为5～40℃）；9为单独的可加热／冷却的注射筒和注射头。整个打印机处于层流净化罩中。

这种生物打印机在气压作用下，通过脉冲信号发生器控制位于注射筒出口的4个微型气动电磁阀，可快速选通喷射流道，以便同时喷射1～4种液态材料，材料粘度可高达200Pa·s，喷射频率可高达1000Hz；调节输入注射筒的气压和阀的开通时间，可控制喷射单个液滴的尺寸；调节气压可控制喷射液滴的速度。低喷射速度（典型为低于3m／s）和低工作气压（1～3psi）有助于提高细胞的生存率。

图5-42 富奇凡公司PAM型生物打印机

图5-43 PAM型微注射器式生物打印机结构

图5-44是用PAM型微注射器式生物打印机打印小直径血管的过程^［48]：①设计血管模型（见图5-44a），其中，1为琼脂糖柱（用作成形的支撑结构），2为小直径的多细胞柱（直径为300～500μm）。②用双喷头PAM型生物打印机一层层沉积琼脂糖柱和多细胞的猪SMC（平滑肌细胞）柱（见图5-44b和c），成形血管构（见图5-44d），由于成形过程中无需支架，仅仅由细胞成形，因此血管中有高的细胞浓度。③打印后融合（post-printed fusion）3天得到猪SMC血管（见5-44e），其中左血管的外径为2.5mm，右血管的外径为1.5mm。然后将打印成的血管置于生物反应器中成熟化，使其获得必要的机械特性（见图5-45）。

图5-44 打印血管过程

图5-45 打印成形的血管在生物反应器中成熟化

喷墨式细胞打印有许多优点，这种方法的打印分辨率高、效率高（一个喷头有成百上千个喷嘴，每个喷嘴的喷射频率可达千赫兹级），但是也存在一些问题，例如：①变干快，由于喷射液滴很小使得它们会立即变干，打印图形时立即变干是有利的，但是对于活细胞有害。②润湿条件下易扩散，如果将细胞打印到润湿的基板上，以便防止立即变干，那么打印的细胞又会扩散并损失打印分辨率。③如何制作三维结构，仅打印细胞悬浮液不能制作三维结构，因为这种结构没有机械强度。

凝胶化技术可解决喷墨式细胞打印的上述问题，为此采用两种不同的凝胶溶液：凝胶前驱体（藻酸钠）和凝胶反应剂（氯化钙），用喷墨头将含0.8％～1％藻酸钠的水溶液喷射至含2％氯化钙的水溶液中，藻酸钠水溶液与Ca²＋离子接触时会形成生物兼容的藻酸盐水凝胶，喷射的单个液滴会形成微凝胶珠，并且在打印线条时这些微凝胶珠还会合并形成纤维。藻酸盐水凝胶能为三维结构提供结构强度，还能为细胞提供水相环境，这有助于维持细胞的生存。采用凝胶化技术后，使得用喷墨打印构造内有精确定位活细胞的三维结构成为可能。

图5-46是一种喷墨式生物打印机，它采用压电式喷头。

用凝胶化技术打印三维管结构组织的方法可见图5-47^［47]，喷射生物墨水（细胞悬浮液和藻酸钠溶液）液滴时，喷墨头沿圆环运动，在氯化钙溶液中可生成不同直径的三维管结构，水相环境还能防止细胞变干和有助于细胞生存。