俄克拉荷马州立大学的Kevin Roehm正在研究使用新材料和结构进行生物打印。他的研究结果在他最近发表的论文《利用壳聚糖/明胶进行神经组织应用的生物打印细胞结构》中作了概述。

如今，生物打印已经远远超过了提供“潜力”的阶段，大量3D打印外科植入物帮助患者继续获得良好的生活质量，在某些情况下甚至可以挽救他们的生命。在美国，大约有10亿人患有神经系统疾病，Roehm指出，确实需要更好的工具来研究阿尔茨海默氏症等疾病以及偏头痛这样的疾病。他还解释说，每年都会进行许多修复神经的手术，但在神经组织中，发现“修复能力非常小”。

Roehm说：“综合起来，在体外模型和再生应用中都需要利用人体细胞的合成3D组织。”

生物打印中的典型挑战包括材料问题，例如寻找或创建在合适条件下的稳定的生物墨水。保持细胞存活是另一个迫切的问题，因为可能难以稳定凝胶、管理操作设置和剪切应力。 作者意识到需要使用适当的试剂交联的水凝胶，并能够凝胶成固态：

“我建议使用壳聚糖 - 明胶-β-甘油磷酸钠（2GP）水凝胶，它在生理温度下表现出热凝胶化（当温度升至37℃时发生凝胶化）。我的工作重点是探索一种水凝胶的可打印性和可获得的分辨率，这种水凝胶具有独特的凝胶机理，不需要后处理。”Roehm表示。

（a）FDM打印机和（b）SLA打印机的图表

正如Roehm指出的那样，生物打印仍然面临着许多挑战，用于打印细胞的实际技术面临着诸如热量（FDM 3D打印杀死细胞）和缺乏整体生存能力（使用SLS或SLA）等问题。 激光辅助生物打印（LAB）也是一种选择，但流速通常太低，技术昂贵，整个过程更加不方便。

使用墨水打印，水凝胶可以进行生物打印，但同样存在细胞活力性问题：

“这项技术需要交联剂来固化打印材料，并且墨水在排出之前必须是非粘性的（小于10厘泊）。此外，担心喷墨打印机中使用的压电喷射系统可能严重降低细胞活力。然而，打印高细胞密度液滴增加了问题的难度。但是，它们很有吸引力，因为它们便宜且快速。”

生物打印显然是一个非常复杂的过程，尤其是当你认为许多科学家的最终目标是在实验室中开始打印人体器官时。然而，为了在生物打印方面取得成功，墨水必须是无毒的，并且能够在不威胁活细胞可持续性的情况下从液体转变为固体。水凝胶本质上是脆弱的，但由于它们与软组织非常相似，作者指出，模仿它们的结构仍然能取得更大的成功。

“我们的水凝胶的机械强度可以通过改变聚合物浓度和添加交联剂（如透明质酸和转谷氨酰胺酶）来调整组织机械性能。到目前为止，我们实验室的成员已将我们的水凝胶与软骨和心脏组织相匹配。”Roehm说。

明胶-壳聚糖-β-甘油磷酸钠水凝胶已证明其“有助于各种细胞类型的粘附”，并且不需要后处理。研究人员发现，交联明胶可以根据需要控制稳定性和机械性能。即使在五天之后，CG结构也显示出“高活性”。

本研究中使用的一个生物打印机是Maker's Tool Works（俄克拉荷马市）捐赠的运动平台套件，其中包含用于建模的自定义Python代码；然而，Roehm发现这个低成本定制打印机非常适合这项工作：

“我的结果表明，我的打印机适用于新型墨水的初始评估，，在这种情况下，更昂贵的系统代表了太多的风险。我们的CG水凝胶以前没有作为生物打印机墨水进行过研究，如果在没有评估其作为墨水的适用性的情况下，就没有理由对技术进行重大投资。我们的系统允许在不进行高成本技术风险投资的情况下进行评估。”

Roehm指出，虽然目前大多数生物打印研究都侧重于细胞的可持续性和生存能力，但作为一个不同的检查领域，对细胞反应的关注还不够。

“然而，对生物打印如何改变细胞反应的理解非常有限；一些人认为高活性推断正常功能和未改变的刺激反应。此外，大多数墨水需要后处理步骤来稳定可能损坏细胞或改变其功能的墨水。这项工作证明了一种不需要后处理的水凝胶，并表明高活性并不意味着刺激反应不变。”Roehm总结道。

生物打印部件描述：a）完整的细胞打印设置，用于打印带有细胞的墨水。b）生物打印机的CAD组装。c）定制打印头和d）注射器特写。

切片模型。初始3D模型（a），沉积材料的视觉描绘

模型的第一层由自动生成的G代码（b）描述，以及为构建部件（c）而生成的247,000行G代码的直观表示。