你是否曾幻想过这种科幻般的场景：在漂浮的再生舱中治疗患者的伤势？ 这种使物体悬浮的“中性浮力”现象，似乎激发了研究人员去探索一种解决方案，即利用柔软且类似液体的墨水进行3D打印——这类材料在空气中极难保持打印精度，因为重力会导致其塌陷。 尽管水基支撑流体（如漂浮舱中所用的）根本无法与组织工程领域广泛使用的水基水凝胶兼容， 但这种在支撑液中进行3D打印的理念得以发展，通过使用能够可逆地呈现固态和液态行为的凝胶状材料，从而最大限度地减少重力影响，使水凝胶能够在其中沉积。
今年11月，我们探讨了“悬浮水凝胶自由形态可逆嵌入”（FRESH）生物打印技术，这是一种专门针对软质、低粘度、类似液体的生物墨水进行优化的嵌入式生物打印方法，该类生物墨水在组织工程应用中得到广泛使用。 一般而言，可以将嵌入式3D生物打印理解为：在充满支撑材料的构建腔室内，利用基于注射器的挤出机将生物材料和细胞沉积到三维空间中。 FRESH方法随后可实现未经过修饰的生物水凝胶（如I型胶原蛋白和脱细胞细胞外基质）与高密度含细胞生物墨水的打印，从而制备功能性工程组织。
该方法面临的关键工程挑战在于，开发一种支撑浴材料，既能在软质打印结构被挤出和固化时将其固定住，又能确保挤出机针头在打印过程中能够轻松地在支撑浴中移动。 具体而言，对支撑浴材料的流变学要求是：在施加的剪切应力低于阈值（即屈服应力）时，它必须表现为固体；当剪切应力超过该阈值时，其行为会从固体转变为类似液体的状态。 在喷嘴周围，支撑浴的液态行为（施加的剪切应力高于屈服应力）使喷嘴能够轻松移动。一旦喷嘴离开，支撑浴就会重新凝固（施加的剪切应力低于屈服应力）。 支撑浴的优化屈服应力取决于待打印材料、针头直径和长度，以及打印速度等工艺参数[1]。
FRESH打印方法具有多项显著优势。首先是其通用性。尽管FRESH最初是在明胶基支撑浴中被描述的[2]，但不同支撑浴的开发使得能够打印具有最广泛凝胶化机制的软性材料（图1）。 此外，由于交联剂已预先混入支撑液中，挤出的生物墨水丝团会立即被液体从各个方向包围，从而迅速引发同步凝胶化过程。这与在空气中打印的情况形成鲜明对比——在空气中，引发凝胶化的途径十分有限。 其次，支撑液提供了一种在打印过程中防止细胞死亡并维持高细胞存活率的环境。除了温度控制外，支撑液的水相部分还可以由细胞培养基、生长因子或任何其他旨在保护细胞存活的生物分子组成。 因此，该技术的第三大优势在于可打印构筑体的尺寸。迄今为止，与它们旨在替代的组织或器官相比，大多数3D生物打印组织构筑体都相对较小。 FRESH技术已成功基于MRI成像数据，利用I型胶原蛋白制作出新生儿规模的人类心脏物理模型[3]。研究人员证实，该技术有望成为一种可扩展的增材制造技术，能够根据患者特异性解剖数据制造全尺寸组织。
图1。 该插图展示了FRESH技术的多功能性，该技术可打印包括柔软且低粘度的天然材料以及合成材料在内的多种生物墨水。 此外，FRESH技术的嵌入式特性使其能够采用逐层、非平面或自由成型的打印路径进行打印，从而制造出在空气中打印时无法实现的几何结构（图片改编自 Shiwarsky等人 [1])。
最后，包括FRESH在内的当前大多数3D生物打印技术，都采用逐层打印的方法。虽然FRESH方法本身能够实现真正的自由形态打印，但能够支持非平面打印配置的软件程序一直备受追捧。 在我们最近发布的 “本月最佳文章”中，我们探讨了 乔纳森·T·布彻教授 团队所开展的、关于一种新型化合物一种基于插值的方法，可对三维数字模型进行分层处理，以实现非平面打印。此类软件的开发使打印更加灵活且具有自由形态，有望显著推动该领域的发展，从而制造出类似器官的弯曲和薄壁结构，包括心脏瓣膜或气管等。
尽管已经取得了显著进展，但学术界认为，FRESH技术与先进软件工具相结合，在为组织工程和3D生物制造领域的研究人员提供支持方面，我们才刚刚起步。
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