生物打印过程中的生物力学过程

在生物打印过程中，生物墨水被沉积并按照设计路径形成3D结构。在这个过程中，多种生物力学参数，包括生物墨水的流变学特性、表面张力、打印流速以及生物墨水的原位交联/固化，对于3D生物打印的成功至关重要。此外，一个成功的生物打印过程应保持生物墨水中细胞的高存活率，这与生物打印过程中产生的机械力直接相关。

1 生物墨水的流变学特性

3D生物打印的成功离不开生物墨水的流变学特性。流变学研究材料在施加力或应力时的变形或流动响应。生物墨水通常表现出非牛顿流体行为，即剪切应力与剪切速率之间的关系是非线性的。

剪切稀化：当剪切速率增加时，剪切应力降低。这种特性使得生物墨水在打印过程中更容易流动，避免了堵塞。

表观粘度：表观粘度是描述生物墨水流动性的重要参数，它取决于剪切速率。生物墨水的表观粘度范围通常在30 mPa/s到6×10^7 mPa/s之间。

粘弹性：生物墨水表现出粘弹性行为，即同时具有粘性和弹性特性。粘弹性通常通过储能模量和损耗模量来描述。储能模量表示材料的弹性，而损耗模量则表示材料的粘性。生物墨水的粘弹性可以通过多种方法进行调整，例如调节水凝胶浓度、细胞密度、添加剂、温度和预交联等。

时间依赖性：一些生物墨水表现出时间依赖性，即它们的流变学特性会随着时间而变化。例如，基于明胶的水凝胶在体温下会液化，在较低温度下会凝胶。在这种情况下，需要对生物墨水进行温度扫描和时间扫描，以确定打印的最佳温度范围。

2. 3D生物打印中的表面张力

表面张力是生物墨水分子之间相互作用的结果，它对生物打印至关重要。表面张力决定了生物墨水是否能够从针头表面脱离，同时抵抗表面张力引起的液滴形成。

接触角：接触角是生物墨水滴与固体表面之间的角度，它反映了固体的润湿性。接触角越大，生物墨水越容易保持形状，但越难锚定在打印基板上。

表面张力测量：表面张力可以通过张力计或基于纤维形状的关系进行测量。

接触角调整：接触角可以通过添加第二种材料（例如纳米颗粒）或改变打印基板的润湿性来调整。

3. 3D 组织生物打印中的体积流量

体积流量是单位时间内通过针头的生物墨水体积，它决定了打印纤维的直径。

流量方程：流量可以通过流量方程进行计算，该方程将流量与打印压力、针头尺寸和生物墨水流变行为联系起来。

流量控制：流量可以通过调节打印压力、温度和针头尺寸来控制。

4. 生物打印过程中的机械力

生物打印过程中，细胞会受到一系列机械力的作用，这些力可能导致细胞变形、细胞膜破裂，甚至细胞损伤或死亡。

静水压力：由于直接施加的打印力而产生的压力，通常对细胞的影响较小。

剪切应力：在注射器和针头内部产生的应力，是导致细胞损伤的主要原因之一。

拉伸应力：在针头急剧收缩的区域产生的应力，对细胞的损伤比剪切应力更严重。

细胞损伤模型：一些模型用于描述细胞损伤与打印参数之间的关系，例如打印压力、针头长度和直径以及生物墨水特性。

减少细胞损伤：可以通过降低打印压力、使用较大直径的针头和使用锥形针头来减少细胞损伤。

5. 原位水凝胶交联

原位交联是生物打印过程中的一种策略，可以在打印过程中使生物墨水固化，从而提供足够的机械支持以保持结构的稳定性。

热交联：通过控制温度来触发交联过程。

原子化交联剂喷涂：使用喷雾器将交联剂喷洒到生物墨水表面。

交联介质：使用交联介质为生物墨水提供快速和均匀的交联环境。

光聚合：使用光敏化学物质在光照下使生物墨水交联。

6. 用于支持生物墨水沉积的悬浮浴

悬浮浴是一种新的生物打印技术，可以将生物墨水挤出并沉积到浴槽中，而不是沉积到空气中。

悬浮浴的原理：悬浮浴需要满足几个原则，包括提供足够的屈服应力、表现出剪切稀化行为、在扰动后能够快速恢复形状以及提供细胞友好的环境。

悬浮浴材料：常用的悬浮浴材料包括羧丙基纤维素、藻酸盐微颗粒、明胶悬浮液、聚氧乙烯和纳米粘土。

提取结构：生物打印完成后，通常需要将结构从悬浮浴中提取出来。提取方法取决于悬浮浴的特性，例如升高温度、酶解或简单的冲洗或稀释。

参考文献

Ning L, et al. Biomechanical factors in three-dimensional tissue bioprinting. Appl Phys Rev. 2020 Dec;7(4):041319.