融合声学液滴喷射与多材料挤出技术的梯度组织工程支架构建平台
Jiannan Li, Carolyn Kim, Hossein V. Alizadeh, Shreya Garg, Arnaud Bruyas, Peng Zhao, Isadora S. D. Passos, Chi-Chun Pan, Andrea S. Flores Pérez, Mark A. Skylar-Scott, Sungwoo Kim, Yunzhi P. Yang | Advanced Composites and Hybrid Materials 2026 | DOI: 10.1007/s42114-025-01546-0
标签: #混合3D生物打印 #梯度组织工程 #声学液滴喷射 #骨腱界面再生 #生物材料
一、做什么 🔬
研究背景：天然组织（如骨-腱界面）具有跨越7个数量级的力学梯度与复杂的生化信号空间分布。单一生物打印技术受限于材料流变特性与沉积机制，无法同时满足刚性热塑性塑料与柔性水凝胶的共打印，更难以实现生长因子的无喷嘴、高精度原位图案化沉积。现有混合打印平台多停留在物理拼接层面，缺乏对微环境生化信号的主动编程能力。
核心问题：
- 能否将熔融材料挤出、注射挤出与声学液滴喷射集成于单一自动化平台，实现跨数量级力学梯度的结构打印？
- 声学液滴喷射能否在不损伤细胞的前提下，实现生化信号（如FGF-2）的纳升级精准定位与长效滞留？
- 多模态打印支架能否在体外定向诱导间充质干细胞向纤维软骨表型分化？
研究模型：人源间充质干细胞（hMSCs）负载的Gelbrin/PCL混合打印骨-腱仿生支架。
技术路线：
- 多模块协同控制：开发C++主控软件解析G-code，协调MME（120℃打印PCL）、SE（20℃打印Gelbrin水凝胶）与ADE（2.5 nL液滴精度）的逐层串行沉积。
- 原位梯度交联策略：利用ADE精准沉积凝血酶、CaCl2与转谷氨酰胺酶混合交联剂，实现水凝胶局部交联密度调控与生长因子空间锁定。
- 流变与力学表征：采用ARES-G2流变仪测定Gelbrin温敏剪切变稀特性（10℃至37℃储能/损耗模量变化），Instron 5944测试复合支架拉伸模量与最大载荷。
- 体外分化验证：结合自动化生物反应器施加动态机械张力，通过qPCR与免疫荧光定量检测SOX9、SCX、AGG等纤维软骨标志物表达水平。
二、发现什么 📊
核心发现1：三模态融合平台实现跨数量级力学梯度与纳升级生化信号精准图案化
图1：Hybprinter-SAM集成MME、SE与ADE模块，实现200 μm层厚打印与2.5 nL液滴沉积精度，力学跨度覆盖7个数量级，并支持384种生化信号高通量阵列化。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 搭建包含MME、SE、ADE的三模块打印系统，设定MME层厚200 μm、SE挤出压力10-20 psi（线宽500-800 μm）、ADE最小液滴体积2.5 nL；利用ADE在Gelbrin网格上原位打印交联剂与FGF-2图案，随后进行hMSCs（2×10⁶ cells/mL）封装与活死染色、MTS增殖检测。 |
| 发现什么 | 平台实现200 μm层厚精度与2.5 nL液滴沉积精度；支持384孔板级独立生化信号高通量图案化；原位交联使蛋白信号在支架内稳定滞留超3周；hMSCs在Gelbrin中7天存活率>95%，MTS吸光度随培养时间呈线性上升；qPCR显示FGF-2图案化区域SOX9、SCX、AGG表达量较无图案对照组上调2.1-3.4倍（p<0.01）。 |
| 说明什么 | 无喷嘴ADE技术彻底规避了传统喷墨打印的堵塞与交叉污染问题，原位交联策略解决了水凝胶中生长因子快速扩散流失的痛点。三模态融合突破了单一打印机制的材料与分辨率瓶颈，为构建兼具力学支撑与生化微环境梯度的复杂组织提供了可重复的工程化底座。 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统混合生物打印多停留在“刚性骨架+柔性水凝胶”的物理拼接，缺乏对生化信号空间分布的主动编程能力。该研究将声学液滴喷射引入混合打印体系，首次实现“力学梯度+生化图案化”的同步构建，将组织工程从“形态仿生”推向“微环境编程”阶段。学界对无喷嘴沉积在厚层水凝胶中的定位精度与长效性存在争议，本研究通过原位交联策略证实了>3周的信号滞留能力，为梯度界面再生提供了新范式。
临床/转化价值：
- 骨-腱/软骨-骨等复杂界面损伤修复：通过定制FGF-2/TGF-β等生长因子的空间浓度梯度，精准调控干细胞分化路径，降低异位骨化与界面脱粘风险。
- 高通量药物筛选与毒理测试：384孔板级生化信号阵列可直接用于构建多微环境类器官芯片，加速靶向递送系统与促分化小分子的评价效率。
- 个性化植入物制造：结合患者影像数据，实现力学模量与生物活性因子的按需分布打印，提升植入体与宿主组织的整合效率与力学适配性。
与我们产品的关联：该研究依赖高精度流变表征、力学拉伸测试与活死细胞荧光成像。我们的3Brain HD-MEA可用于替代传统终点拉伸测试，实时监测梯度支架在动态力学刺激下的细胞网络电生理响应；SIEVEWELL微流控芯片可集成该打印支架，实现生长因子释放动力学的高通量在线监测。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐ | 研究使用定制化三模块打印机，Cellink BIO X6支持多挤出头与光固化模块切换，可快速复现其MME+SE混合打印逻辑，但需额外集成第三方ADE模块实现纳升级图案化。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐ | 论文使用Instron拉伸与生物反应器施加机械刺激，3Brain HD-MEA可在施加力学应变的同时，实时记录梯度界面处细胞电生理与收缩力的动态耦合，替代终点qPCR检测。 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 研究在静态培养与简单生物反应器中验证分化，Celvivo的3D动态培养舱可模拟体内关节滑液流动与剪切力，进一步验证FGF-2梯度在生理流体环境下的长效诱导效果。 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文验证了蛋白信号>3周的定位滞留，SIEVEWELL微流控阵列可直接用于高通量筛选不同交联密度与生长因子浓度组合下的干细胞分化阈值，完美匹配其“384种生化信号图案化”的下游验证需求。 |
参考文献
- Malda J, Visser J, Melchels FP, et al. 25th anniversary article: Engineering hydrogels for biofabrication. Advanced Materials. 2013. DOI: 10.1002/adma.201204212
- Skylar-Scott MA, Mueller J, Visser CW, Lewis JA. Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellular density and embedded vascular channels. Science Advances. 2019. DOI: 10.1126/sciadv.aaw2459
- Groll J, Burdick JA, Cho DW, et al. A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Biofabrication. 2019. DOI: 10.1088/1758-5090/aaec52
转发语：把声学液滴喷射塞进生物打印机，不用换针头就能在支架上“画”出384种生长因子图案，骨腱界面再生终于有了能同时搞定硬软材料和生化梯度的工程底座。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Advanced Composites and Hybrid Materials 2026 Hybrid Bioprinting