3D生物打印技术因其能够将细胞和材料（即生物墨水）精确地堆积成三维复杂结构，在组织再生和病理模型构建等生物医学领域中得到了广泛应用。目前已发展出多种生物打印技术，其中，最常见的打印方式是挤出式生物打印，即通过数字化设计控制生物墨水的挤出与组装，然后迅速成形以保持打印结构的稳定性和保真度。一般而言，挤出式生物打印的生物墨水需要同时满足可打印性和功能性，而这两者通常是相互矛盾的。比如，浓度（或粘度）较高的水凝胶墨水更有利于微丝挤出和结构稳定，从而获得较高的形状保真度；而浓度（或粘度）较低的水凝胶墨水更有利于细胞的生长、迁移和增殖。国内外研究者先后提出了使用细胞微球团来组装复杂组织结构、添加流变改性剂来改善粘度较低水凝胶墨水的可打印性、开发悬浮打印策略等方法，但依然面临着力学性能较差、生物相容性差、生物墨水种类受限、残留物影响打印结构等问题。

为克服上述挑战，清华大学机械系熊卓和张婷课题组开发出一种具有超弹性和异质组织微环境的载细胞微凝胶双相生物墨水。该微凝胶双相生物墨水由两部分组成：(ⅰ) 载细胞微凝胶在紧密堆积下作为分散相，形成第一级网络; (ⅱ) 水凝胶前驱体作为连续相渗入微凝胶之间的孔隙，在微凝胶之间形成第二级网络。墨水在打印过程中具有优异的流变性能、剪切变稀和自愈合特性，打印的结构在交联后也具有极好的结构稳定性。相较于纯水凝胶、纯微球生物墨水，该微凝胶双相生物墨水表现出超弹性和更好的循环拉-压性能。更重要的是，微凝胶双相生物墨水的设计策略适合于各种水凝胶材料和交联策略，包括常规打印技术难以使用的低粘度水凝胶墨水，极大了拓展了生物墨水的材料窗口。

图1 微凝胶双相生物墨水的制备、打印与特性。（a-b）微凝胶双相生物墨水的组成；（c）3D打印过程；（d）生物墨水制备流程；（e）3D打印的支气管结构；（f）超弹性特征；（g）高细胞活性；（h）异质组织微环境。

进一步的实验结果表明，该微凝胶双相生物墨水具有高细胞活性和高细胞密度，同时通过在微球相和连续相内添加不同类型的细胞，实现组织异质微环境的构建，为生物墨水的设计提供了更灵活的选择。未来，载细胞双相生物墨水可以与现有3D打印策略相结合，以更好地模拟天然组织和器官的结构复杂性和异质性，进一步拓展了3D生物打印在组织工程和软体机器人等生物医学领域中的应用。

清华大学机械系生物制造中心博士后方永聪为论文第一作者，清华大学机械系熊卓副教授为论文通讯作者，清华大学机械系张婷副研究员为共同通讯作者。清华大学机械系硕士生郭依涵，科研助理姬梦柯、李彬寒，本科生郭昱江、朱颉茗共同参与了研究工作。该研究获得清华大学人才引进启动经费基金(53330200321)，国家重点研发计划项目(2018YFA0703004），国家自然科学基金面上资助项目(31771108)，中国博士后科学基金站前资助项目(2021TQ0184)的支持。

论文信息

Yongcong Fang, Yihan Guo, Mengke Ji, Binhan Li, Yujiang Guo, Jieming Zhu, Ting Zhang*, Zhuo Xiong*, 3D Printing of Cell-Laden Microgel-Based Biphasic Bioink with Heterogeneous Microenvironment for Biomedical Applications, Advanced Functional Materials, 2021,2109810.

DOI: 10.1002/adfm.202109810

期刊简介

《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）是Wiley出版社旗下材料科学知名期刊之一，专注发表纳米技术、化学、物理、生物等应用领域中有关材料科学的重大突破。最新影响因子为18.808，2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。

撰稿：方永聪

审核：胡楚雄