重力耐受飞行中3D生物打印实现太空组织工程
Lemke et al. | Advanced Science 2026 | DOI: 10.1002/advs.202520715
标签: #3D生物打印 #太空生物制造 #微重力 #DLP光固化 #皮肤再生 #CELLINK #抛物线飞行
一、做什么（研究背景与目的）
随着人类深空探索任务的推进，宇航员在太空环境中面临急性损伤时缺乏有效的再生医学手段。太空环境中的重力波动（微重力 0g 到超重力 1.8g）对生物制造技术提出了前所未有的挑战。传统的挤出式生物打印依赖重力辅助材料沉积，在重力变化环境下极易失败。
本研究首次验证了数字光处理（DLP）光固化生物打印在抛物线飞行（0-1.8g 动态重力变化）条件下的可行性。研究团队开发了符合飞行标准的封闭式 SLA 生物打印系统，使用 Photoink（含光阻断剂）和 Bioink（GelMA/PEGDA 细胞友好型）两种材料，成功打印了含有人类纤维母细胞和角质形成细胞的水凝胶结构，为太空环境下的个性化组织修复提供了技术基础。
图1：DLP光固化生物打印原理及抛物线飞行实验设计。打印过程在 0g（微重力）和 1.8g（超重力）交替变化中完成。
二、发现什么（核心结果）
1. DLP 打印在不同重力条件下的尺寸精度
研究者系统测试了 DLP 打印在混合重力飞行条件（MixedG_Flight）和地面 1g 条件下的打印精度。
图2：Photoink 在不同重力条件下的打印精度。目标宽度 300-3000 μm 的特征均可成功打印。
「做了什么」：使用含光阻断剂的 Photoink 打印了包含立方体和圆柱体的基准模型，目标特征宽度从 50 μm 到 3000 μm，在抛物线飞行（0-1.8g）和地面 1g 条件下分别打印并测量实际尺寸。
「发现什么」：目标宽度 ≥300 μm 时均可成功打印；≥700 μm 时飞行条件与地面条件无显著差异；<500 μm 时地面打印尺寸显著小于飞行打印（地面最小 269 μm vs 飞行最小 358 μm）。所有尺寸均存在约 15% 的负偏差（实际尺寸小于目标尺寸）。
「说明什么」：DLP 光固化打印对重力变化具有高度容忍性，打印精度主要受光散射和聚合动力学影响，而非重力。小尺寸下的偏差差异可能源于飞行环境中的微振动。
2. Bioink 在飞行条件下的打印分辨率
图3：Bioink（无光阻断剂）在混合重力飞行和飞行中 1g 对照条件下的打印分辨率对比。
「做了什么」：使用细胞友好型 Bioink（GelMA/PEGDA，不含光阻断剂）打印亚毫米级圆柱结构，直接对比混合重力飞行（MixedG_Flight）和飞行中 1g 对照（1G_Flight）。
「发现什么」：目标宽度 ≥200 μm 时可成功打印；MixedG_Flight 最小可打印宽度 314 μm，1G_Flight 为 300 μm，无全局显著差异；Bioink 因缺乏光阻断剂，小尺寸下出现过度固化（正偏差），但最小可打印尺寸与 Photoink 相当。
「说明什么」：即使不含光阻断剂的细胞友好型墨水，DLP 打印在重力变化环境下仍保持稳定分辨率，为后续含细胞打印奠定基础。
3. 含细胞 Bioink 的结构完整性
图4：含纤维母细胞和角质形成细胞的 Bioink 在不同重力条件下的打印结果。
「做了什么」：将人类纤维母细胞和角质形成细胞（皮肤再生关键细胞类型）混入 Bioink，在 MixedG_Flight 和 1G_Flight 条件下打印多层锥形结构，测量 2000-6000 μm 特征尺寸。
「发现什么」：两种重力条件下打印尺寸无显著差异；细胞浓度、细胞类型和飞行日期对最终水凝胶尺寸均无影响；所有打印均保持一致的负偏差（约 15%）。
「说明什么」：细胞的存在不影响 DLP 打印的聚合动力学，打印过程对不同类型的细胞具有通用性。
4. 细胞存活率与分布
图5：纤维母细胞和角质形成细胞在打印后的存活率和分布情况。
「做了什么」：使用 TUNEL 染色评估打印后细胞存活率，用 H&E 染色分析细胞在水凝胶中的分布均匀性，测试了 200 万-1200 万细胞/mL 三种浓度。
「发现什么」：纤维母细胞存活率 MixedG_Flight 64.9% vs 1G_Flight 60.1%（无显著差异）；角质形成细胞存活率 MixedG_Flight 82.5% vs 1G_Flight 93.6%（无显著差异）；MixedG_Flight 条件下细胞出现更多聚集和沉降，特别是在第一和第二打印层；角质形成细胞分布比纤维母细胞更均匀。
「说明什么」：重力变化本身不影响细胞存活率，但微重力和超重力交替会导致细胞沉降不均匀。飞行前充分混匀墨水和选择高粘度 Bioink 可缓解此问题。细胞存活率偏低主要源于冷冻复苏过程，而非打印过程。
5. 复杂 3D 结构的太空制造
图6：在飞行条件下打印的复杂 3D 结构，包括 gyroid 点阵、微孔阵列等。
「做了什么」：在抛物线飞行条件下使用 Photoink 打印了包含立方体、球体和 gyroid（三周期最小曲面）的扩展基准模型，以及微孔阵列。
「发现什么」：gyroid 结构可在飞行条件下成功打印，表面光滑连续；微孔阵列的特征尺寸与地面打印一致；复杂架构在重力变化环境下未出现结构塌陷或变形。
「说明什么」：DLP 生物打印不仅适用于简单几何形状，还能在太空环境中制造具有复杂内部结构的组织工程支架，为血管化组织打印提供可能。
三、说明什么（研究意义）
本研究首次证实了 DLP 光固化生物打印技术对重力变化的高度容忍性，具有以下重要意义：
- 太空医学突破：为宇航员在深空任务中提供个性化组织修复能力，皮肤损伤是太空旅行中最常见的医疗问题之一
- 技术普适性：封闭式 SLA 系统不受环境湿度影响，打印精度与重力无关，适用于月球（0.16g）、火星（0.38g）等低重力环境
- 细胞兼容性：纤维母细胞和角质形成细胞在打印后保持高存活率，可直接用于皮肤组织工程
- 地球应用延伸：该技术同样适用于地球上的极端环境（如地震灾区、远洋航行、偏远地区）的即时组织制造
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| CELLINK INKREDIBLE+ | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 支持光固化模块，可用于 GelMA/PEGDA 类生物墨水的 DLP 打印 |
| CELLINK BIO X | ⭐⭐⭐⭐ | 多打印头系统可集成光固化模块，实现挤出+光固化混合打印 |
| GelMA 生物墨水 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本研究使用的核心材料，CELLINK 产品线直接提供 |
| PEGDA 交联剂 | ⭐⭐⭐⭐ | 与 GelMA 配合使用，CELLINK 可提供配套试剂 |
| CELLINK 紫外线交联模块 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | DLP 打印的核心组件，与本研究技术路线完全一致 |
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📄 Lemke_2026_AdvSci_Gravity_Tolerant_Space_Bioprinting.pdf
参考文献
- Lemke B, Kollert MR, Lam T, et al. Gravity-Tolerant In-Flight 3D Bioprinting Enabled by Stereolithography for Space Tissue Engineering. Adv Sci. 2026;13:2520715. DOI: 10.1002/advs.202520715.
转发语：在飞机上也能做3D生物打印？0-1.8g重力变化下依然精准成型，太空医学迈出新步伐。
联系人：李东伟
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