嵌入式3D生物打印：制造仿生大型血管化组织构建体的新兴策略
Budharaju, Sundaramurthi, Sethuraman | Bioactive Materials 2024 | DOI: 10.1016/j.bioactmat.2023.10.012
标签: #综述 #嵌入式生物打印 #支撑浴 #FRESH #血管化 #Cellink
一、本文综述了什么
本文系统综述了**嵌入式3D生物打印（Embedded 3D Bioprinting）**这一新兴技术，覆盖了从2011年到2023年的关键文献。文章的核心框架围绕一个关键问题展开：如何克服传统挤出式生物打印的重力塌陷和悬垂限制，打印出具有微米级分辨率的大型复杂血管化组织？
嵌入式生物打印是一种"凝胶中的凝胶"（gel-in-a-gel）策略：将生物墨水挤入微凝胶或颗粒状支撑浴中，支撑浴在针头经过时发生剪切液化，针头离开后迅速恢复凝胶态包裹生物墨水。这种方法使低粘度、慢交联的软水凝胶（胶原、明胶、脱细胞基质等）也能打印出复杂三维结构。
本文覆盖了以下核心主题：
- 四大嵌入式打印技术路线（全向打印、Guest-Host写入、颗粒凝胶介质、FRESH）
- 支撑浴材料的理想要求（粘弹性、稳定性、透明度、易提取）
- 各类组织/器官模型的应用进展（血管、心脏、骨骼、章鱼、水母模型）
- 临床转化的挑战与未来展望
二、综合比较的核心结论
主题A：三大生物打印技术对比
图1：嵌入式生物打印从2011年全向打印到2023年FRESH v2.0及多材料打印的发展里程碑。
| 汇总了什么 | 对比了喷墨、激光辅助、挤出式三大生物打印技术在分辨率、墨水粘度、细胞密度、细胞存活率、复杂形状打印能力等方面的差异 |
| 对比显示了什么 | 挤出式生物打印在组织构建尺寸（大构建体积）和可扩展性上占优，但分辨率最低（100-2000 μm）；喷墨分辨率高但只能处理低粘度墨水；激光式细胞密度最高但成本高昂且无法打印高粘度材料 |
| 说明什么 | 没有一种技术在所有维度上最优。嵌入式打印作为挤出式的升级方案，保留了挤出式的大体积优势，同时将分辨率提升至20 μm级别 |
主题B：四大嵌入式打印策略
图2：(A)全向打印：牺牲墨水在功能墨水中沉积形成血管网络，低温液化移除后留下微通道。(B)Guest-Host写入：基于超分子组装（Ad-HA与CD-HA主客体相互作用），打印后紫外光二次交联，再用β-CD洗脱支撑浴。
| 汇总了什么 | 汇总了全向打印（Omnidirectional Printing）和Guest-Host写入两种嵌入式策略的原理和代表性应用 |
| 对比显示了什么 | 全向打印使用Pluronic F127牺牲墨水，18-170 μm微通道但移除需要低温处理可能影响细胞存活；Guest-Host写入基于超分子化学，细胞存活率>90%，但打印结构的机械稳定性不足，需要紫外二次交联增强 |
| 说明什么 | 不同策略在"打印精度"和"细胞友好性"之间存在权衡。超分子组装（Guest-Host）提供了更温和的打印环境，但机械强度是瓶颈 |
图3：(A)颗粒凝胶介质：Carbopol微凝胶支撑浴，针头经过时液化，打印后恢复凝胶包裹结构。(B)Y形血管在Carbopol中打印。(C)FRESH方法：明胶微粒支撑浴，打印后升温至37°C液化移除。(D)FRESH v2.0实现20 μm分辨率。
| 汇总了什么 | 汇总了颗粒凝胶介质（Granular Gel Medium）和FRESH（自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶）两种主流嵌入式打印技术 |
| 对比显示了什么 | Carbopol支撑浴可在生理条件下打印，但移除需要改变pH和盐浓度，可能影响细胞活性；FRESH使用明胶微粒支撑浴，37°C升温即可液化移除，对细胞更温和。FRESH v2.0通过添加Pluronics和阿拉伯胶将分辨率提升至20 μm |
| 说明什么 | FRESH是目前最成熟的嵌入式打印技术——已被Cellink、Allevi、Advanced Biomatrix等公司商业化（Life Support®品牌）。升温移除支撑浴的方式对细胞最友好，是临床应用最有前景的方案 |
图1→图2的逻辑：先确立"挤出式生物打印最适合大尺寸组织但分辨率低"的共识，再引出嵌入式打印作为升级方案。图2展示最早期两种策略如何解决"重力塌陷"问题。
图2→图3的逻辑：从早期牺牲墨水策略（全向打印、Guest-Host）升级到更成熟的支撑浴策略（颗粒凝胶、FRESH）。FRESH的出现是嵌入式打印的里程碑——它解决了支撑浴的温和移除问题。
主题C：支撑浴材料的选择
| 材料 | 移除方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| Pluronic F127 | 4°C低温液化 | 剪切变稀行为好 | 低温移除伤害细胞 |
| Carbopol | 改变pH/盐浓度 | 生理条件下稳定 | 移除条件剧烈，影响细胞 |
| 明胶微粒（FRESH） | 37°C升温 | 对细胞温和 | 需要温控设备 |
| 明胶微粒（FRESH v2.0） | 37°C升温 | 分辨率达20 μm | 成本较高 |
共识：支撑浴必须满足四个条件——(1) 剪切变稀（针头通过时液化）、(2) 自愈合（针头离开后恢复）、(3) 透明（可视化打印过程）、(4) 温和移除。
争议：Carbopol体系在pH/盐浓度改变后是否真的能保持细胞活性？不同研究结论不一致。
空白：目前尚无一种支撑浴能同时满足"高分辨率+易移除+完全生物相容+低成本"。
主题D：器官模型应用进展
图4：嵌入式打印的心脏、血管、骨骼等组织模型，展示了微米级分辨率下的复杂结构保真度。
| 汇总了什么 | 汇总了嵌入式打印在血管（Y形分支、40个连接点的血管网络）、心脏（心室模型、跳动心管）、骨骼、章鱼/水母仿生模型中的应用 |
| 对比显示了什么 | 血管和心脏模型是目前最成熟的——FRESH v2.0打印的胶原心管可维持同步跳动1个月；Y形血管模型在Carbopol中打印后细胞存活率86%；章鱼/水母模型展示了复杂曲面打印能力 |
| 说明什么 | 嵌入式打印已能制造具有解剖学特征的人体尺度器官模型，但真正的"可移植器官"仍面临血管化、长期培养、免疫排斥三大挑战 |
主题E：商业化与临床转化
图5：FRESH从CMU实验室专利到Cellink/Allevi/Advanced Biomatrix商业化的转化路径，以及Life Support®支撑浴产品。
| 汇总了什么 | 汇总了FRESH技术从Feinberg团队专利到Fluidform公司、再到Cellink/Allevi/Advanced Biomatrix三大生物打印机厂商商业化的路径 |
| 对比显示了什么 | Cellink已将FRESH技术整合到其BioX系列打印机中，作为标准支撑浴选项。这说明嵌入式打印已从实验室技术走向商业化产品 |
| 说明什么 | FRESH是嵌入式打印领域最接近临床应用的方案——升温移除对细胞最温和，分辨率20 μm已满足大多数组织工程需求，且有多家公司提供标准化产品 |
图3→图4→图5的逻辑：技术成熟度从"方法学验证"（FRESH原理）→"应用证明"（器官模型）→"商业化落地"（Cellink等平台整合），形成了完整的技术成熟链条。
三、对领域/产品的意义
研究空白 = 产品机会
- 血管化是最大瓶颈：本文反复强调，目前打印的器官模型缺乏功能性微血管网络，营养扩散限制了组织厚度（<2 mm）。谁能解决血管化，谁就掌握了器官打印的钥匙
- 支撑浴标准化缺失：不同实验室的支撑浴配方差异大，缺乏流变学标准。标准化的"即开即用"支撑浴产品有巨大市场空间
- 长期培养体系：打印后如何在支撑浴内长期培养（数周至数月）？需要配套的灌注培养系统
共识结论 = 产品宣传素材
- 嵌入式打印是挤出式的自然升级：保留了大体积优势，分辨率从100-2000 μm提升至20 μm
- FRESH是最成熟的方案：20 μm分辨率、37°C温和移除、多家公司商业化
- Cellink BioX已整合FRESH技术：我们的产品线已经在解决这个领域的核心问题
争议 = 差异化切入点
- Carbopol vs FRESH：谁更"细胞友好"？如果我们的产品能提供更温和的支撑浴提取方案，这就是差异化
- 分辨率 vs 速度：FRESH v2.0分辨率20 μm但打印速度慢，如何在两者间平衡？
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BioX6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文明确指出Cellink已将FRESH技术整合到其BioX系列中，作为标准支撑浴选项。BioX6配备温控打印头和支撑浴系统，可直接运行嵌入式打印 |
| Cellink Life Support® | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 即FRESH的明胶微粒支撑浴商品名，由Advanced Biomatrix开发、Cellink代理销售。用户购买后无需自己配制 |
| Cellink 气动打印头 | ⭐⭐⭐⭐ | 嵌入式打印需要稳定的挤出控制，气动打印头比机械活塞更精确，适合低粘度生物墨水 |
| Cellink 生物墨水（胶原/GelMA/海藻酸钠） | ⭐⭐⭐ | 本文列举的低粘度生物墨水（胶原、明胶、GelMA、海藻酸钠）均可在Cellink平台上使用 |
原文下载
参考文献
- Budharaju H, Sundaramurthi D, Sethuraman S. Embedded 3D bioprinting – An emerging strategy to fabricate biomimetic & large vascularized tissue constructs. Bioactive Materials. 2024; 32: 356-384. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2023.10.012
- Wu DX, Pang S, Berg J, et al. Bioprinting of perfusable vascularized organ models for drug development via sacrificial-free direct ink writing. Adv Funct Mater. 2024; 34: 2314171. DOI: 10.1002/adfm.202314171
- Kang DH, Louis F, Liu H, et al. Engineered whole cut meat-like tissue by the assembly of cell fibers using tendon-gel integrated bioprinting. Nat Commun. 2021; 12: 5059. DOI: 10.1038/s41467-021-25385-6
转发语：嵌入式生物打印（FRESH技术）已突破20 μm分辨率，Cellink已整合Life Support®支撑浴系统。从实验室到商业化，打印"可跳动的心管"和"Y形血管"只是开始——真正的器官打印，血管化是最后一道关卡。
联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top