在2022年的第一个月，我们重点探讨了用于组织工程和药物递送领域的藻酸盐水凝胶。正如在 首次发表 关于该主题的首篇文献，海藻酸盐 通常用作3D生物打印中的生物墨水，根据具体应用，可制备含有细胞或生物活性分子的3D结构（支架）。 海藻酸盐溶液的一个显著特点是，在离子（如Ca2+）存在下能够快速交联（分子之间形成键合），从而形成具有凝聚性的水凝胶，并可制成各种形状。 此外，通过调整制备过程中所用的组分，可以（至少在一定程度上）调节其最终的力学性能。
在 第二篇刊物中 2022年1月，研究人员采用不同浓度和渐进式作用时间的CaCl₂溶液对藻酸盐水凝胶进行了交联处理。了解特定配方在交联过程中的行为特征——例如起胶时间、凝胶化速率，以及与该凝胶化过程相关的潜在膨胀和收缩现象——对于优化实验设计至关重要，特别是在3D打印领域。
对于挤出式3D打印技术，目前已开发出多种方法来打印藻酸盐3D结构。藻酸盐溶液的粘度相对较低，若要实现纯溶液打印并进行后续交联，则需要对操作流程进行繁琐的优化。 例如，生物墨水制造商确实提供了详细的操作规程，这些规程是为在建议的打印速度、挤出压力、喷嘴尺寸、温度等参数范围内，以特定浓度打印其生物墨水而制定的。其中一个例子就是我们已发表的应用说明中使用的海藻酸盐。 . Cellink 开发了一份详细的 协议 用于在其挤出式3D打印机中打印生物墨水。
当难以获得或难以制定纯海藻酸盐溶液的打印方案时，人们还开发了各种方法来克服其粘度低的问题。 已报道的一些方法包括（图1的A部分）：在打印前，将海藻酸盐溶液与CaCl₂溶液在注射器筒内预交联长达30分钟[1,2]， （图1中的B部分）使用同轴针头，将海藻酸钠溶液和CaCl₂溶液分别置于针头的外壳和芯部，以便在打印过程中一出针头即进行快速交联[3]；以及非常常见的方法， （图1中的C部分）与其他生物材料（如明胶、琼脂、PEG等）混合，以提高即时可打印性[4]。
此外，一种旨在提高软生物材料打印保真度的相对较新的打印方法——称为“悬浮水凝胶自由形态可逆包埋法”（FRESH），也可用于打印纯藻酸盐结构[5]。 在此技术中（见图1的D部分），生物墨水被挤出到由牺牲性水凝胶组成的支撑浴中，该水凝胶会将生物墨水固定在原位，直至其凝胶化。对于藻酸盐而言，支撑浴中还应含有氯化钙以触发交联反应。 总体而言，FRESH打印技术在生物墨水、分辨率、尺寸以及可实现的3D几何复杂性方面，提供了无与伦比的综合能力。
此外，一种旨在提高软性生物材料打印保真度的相对较新的打印方法——称为“悬浮水凝胶自由形态可逆包埋法”（FRESH）——也可用于打印纯藻酸盐结构[5]。 在此技术中（见图1的D部分），生物墨水被挤出到由牺牲型水凝胶组成的支撑浴中，该水凝胶将生物墨水固定在原位，直至其凝胶化。对于藻酸盐而言，支撑浴中还应含有氯化钙以触发交联反应。 总体而言，FRESH打印技术在生物墨水、分辨率、尺寸以及可实现的3D几何复杂度方面，提供了无与伦比的功能组合。
无论是以纯净形式还是与其他生物材料混合使用，藻酸盐都能赋予支架固有的生物相容性、相对较低的成本、低毒性，以及在添加二价阳离子后可呈现温和且可调节的凝胶化特性，这些都是对细胞或生物活性分子进行包封的重要因素。
参考文献
[1] Freeman, F. E., & Kelly, D. J. (2017). Tuning alginate bioink stiffness and composition for controlled growth factor delivery and to spatially direct MSC fate within bioprinted tissues. Scientific reports, 7(1), 1-12.
[2] Daly, A. C., Critchley, S. E., Rencsok, E. M., & Kelly, D. J. (2016). A comparison of different bioinks for 3D bioprinting of fibrocartilage and hyaline cartilage. Biofabrication, 8(4), 045002.
[3] Zhang, Y., Yu, Y., Chen, H., & Ozbolat, I. T. (2013). Characterization of printable cellular micro-fluidic channels for tissue engineering. Biofabrication, 5(2), 025004.
[4] Mallakpour, S., Azadi, E., & Hussain, C. M. (2021). State-of-the-art of 3D printing technology of alginate-based hydrogels—An emerging technique for industrial applications. Advances in Colloid and Interface Science, 102436.
[5] Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W., & Feinberg, A. W. (2021). Emergence of FRESH 3D printing as a platform for advanced tissue biofabrication. APL bioengineering, 5(1), 010904.
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你是否曾幻想过科幻电影中的治疗舱？ 其背后的中性浮力原理，为使用柔软、类液态墨水的3D打印技术开辟了一条独特的解决方案。为支持此类难以处理材料的打印，研究人员开发了“悬浮水凝胶自由形态可逆嵌入”（FRESH）生物打印技术，该技术非常适合组织工程应用。 其秘诀在于一个设计精巧的支撑浴，既能固定柔软的结构，又能让挤出机针头自由移动。凭借其多功能性、高细胞存活率以及打印大型构造的潜力，FRESH 技术开辟了无限可能，使我们更接近基于解剖数据进行 3D 生物打印、制作个性化组织的目标。