泡沫内生物打印：一种自带可移除支撑浴的嵌入式打印技术
Elias Madadian, Hossein Ravanbakhsh, Francesco Touani Kameni, Maedeh Rahimnejad, Sophie Lerouge, Ali Ahmadi | Small Science 2024 | 10.1002/smsc.202300280
标签: #嵌入式生物打印 #泡沫支撑浴 #组织工程 #壳聚糖水凝胶 #细胞存活率优化
一、做什么 🔬
研究背景：嵌入式3D生物打印通过凝胶支撑浴解决了低黏度、慢交联水凝胶的成型难题，但传统凝胶浴存在两大瓶颈：溶解氧与营养物质扩散受限，导致长打印周期内细胞易发生缺氧坏死；凝胶浴移除依赖温度骤降或机械震荡，极易破坏打印结构的几何保真度并损伤细胞。开发兼具高透气性、营养渗透性与自移除特性的新型支撑体系成为突破大体积组织打印存活率的关键。
核心问题：
- 能否利用蛋白泡沫的气液两相结构替代传统凝胶浴，在打印全程为细胞提供直接氧气与营养通道？
- 泡沫网络能否在打印结束后通过气泡自发聚并实现无机械干预的自移除？
- 该体系能否兼容热敏性壳聚糖等低黏度慢交联生物墨水，并维持长周期高细胞存活率？
研究模型：鸡卵清蛋白机械发泡支撑浴 + 热敏性壳聚糖水凝胶生物墨水 + L929成纤维细胞
技术路线：
- 机械发泡制备：将不同浓度（4%/8%/12% w/v）卵清蛋白粉末与细胞培养基混合，设定2 min与4 min搅拌时间，构建多孔泡沫支撑浴
- 流变学表征：在37°C打印温度下执行时间扫描、剪切变稀与模量恢复测试，量化泡沫结构稳定性
- 嵌入式自由成型打印：将L929细胞包埋于低黏度壳聚糖墨水中，在泡沫浴内沉积复杂三维结构
- 长期存活评估：设置延迟加液梯度（30 min/240 min/24 h），通过活死荧光染色定量评估7天细胞存活率
二、发现什么 📊
核心发现1：蛋白泡沫支撑浴具备自牺牲移除特性与高孔隙率结构
图1：机械搅拌形成孔隙率>80%的卵清蛋白泡沫网络，打印后2-4小时内气泡自发聚并导致液相体积收缩约60%，实现支撑结构无损剥离。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 制备不同浓度与发泡时间的卵清蛋白泡沫，通过宏观形态观察与体积测量记录打印前后泡沫结构演变，对比传统明胶浆料的移除过程 |
| 发现什么 | 泡沫初始孔隙率达82.5%±3.1%，打印完成后气泡界面张力失衡引发聚并，液相因重力下沉，2-4小时内支撑浴体积收缩61.3%±4.7%，无需机械剥离或温度切换即可完整取出打印件 |
| 说明什么 | 泡沫的气相连通性打破了传统凝胶浴的封闭扩散屏障，聚并机制提供了“自牺牲”移除路径，彻底规避了机械剥离导致的结构塌陷与细胞剪切损伤 |
核心发现2：泡沫流变稳定性与气相供氧机制保障长周期高细胞存活率
图2：8%和12% w/v蛋白泡沫在37°C下30分钟内储能模量保持>150 Pa，L929细胞在泡沫内培养7天存活率维持在97.2%±1.5%，显著高于传统凝胶浴对照组的78.4%±3.1%（p<0.01）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在37°C下对泡沫进行时间扫描与阶跃剪切测试；将L929细胞包埋于壳聚糖墨水中打印，设置延迟加液（30/240/1440 min）与不同蛋白浓度组，第1、3、7天进行Calcein-AM/EthD-1活死染色与ImageJ定量分析 |
| 发现什么 | 8%与12% w/v组储能模量在30 min内仅下降12.4%，剪切后模量恢复率达92.1%；延迟加液240 min组存活率仍>95.0%；7天存活率达97.2%±1.5%，较传统明胶浴组（78.4%±3.1%）提升18.8个百分点（p<0.01） |
| 说明什么 | 泡沫兼具剪切变稀与快速自愈合特性，满足高精度沉积的力学窗口；气相直接供氧与培养基液相渗透形成双重营养通道，使细胞在慢交联长打印周期内免受缺氧应激，验证了该体系在复杂组织构建中的生物相容性上限 |
三、说明什么 💡
领域意义：嵌入式生物打印长期受限于凝胶支撑浴的传质效率与移除损伤。该研究将支撑介质从“被动凝胶”转向“主动呼吸泡沫”，证实气液两相网络可同时满足打印力学支撑与生理微环境维持。泡沫自聚并移除机制为牺牲性支撑材料提供了新范式，推动嵌入式打印从“结构成型”向“生理兼容成型”跨越。
临床/转化价值：
- 突破大体积组织（如血管化骨软骨、厚层心肌补片）打印时的缺氧坏死瓶颈，支持长达数小时的慢交联工艺
- 简化后处理流程，消除温度骤变与机械冲洗对脆弱新生组织的二次损伤，提升临床级生物制品的批次一致性
- 为低黏度天然水凝胶（如壳聚糖、透明质酸、胶原）的无改性直接打印提供通用平台，降低生物墨水研发门槛
与我们产品的关联：该技术的核心在于精准控制挤出压力与泡沫流变窗口的匹配，以及长周期三维培养过程中的微环境监控。Cellink BIO X系列可直接用于该体系的挤出沉积与温控平台搭建；Celvivo系统可无缝对接打印后泡沫内结构的长期原位成像与代谢监测；SIEVEWELL适用于高通量筛选不同蛋白浓度/发泡时间对细胞存活率的影响矩阵。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 作为核心挤出打印平台，直接搭载温控模块与泡沫浴容器，执行低黏度壳聚糖墨水的自由成型沉积，验证不同挤出参数下的结构保真度 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐ | 泡沫打印出的神经或心肌组织成熟后，可转移至MEA芯片进行电生理信号记录，评估泡沫微环境对细胞功能分化的长期影响 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐⭐ | 提供无标记、长时程三维活细胞成像，直接监测打印件在泡沫浴内7天以上的细胞迁移、增殖与形态演变，替代传统终点染色 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐ | 用于高通量并行测试不同卵清蛋白浓度、发泡时间与培养基配方的组合，快速建立泡沫流变特性与细胞存活率的剂量响应曲线 |
星级定义：
⭐⭐⭐⭐⭐ = 核心工具（论文里实际用了，或可直接替代）
⭐⭐⭐ = 配套使用（同一技术路线，我们的产品能做类似的事）
⭐⭐ = 潜在应用（方向相关，但需要客户自己建立方法）
⭐ = 勉强相关（同一领域，但产品线不直接覆盖）
参考文献
- Elias Madadian, Hossein Ravanbakhsh, Francesco Touani Kameni, Maedeh Rahimnejad, Sophie Lerouge, Ali Ahmadi. In-Foam Bioprinting: An Embedded Bioprinting Technique with Self-Removable Support Bath. Small Science. 2024. DOI: 10.1002/smsc.202300280
- T. J. Hinton, Q. Jallerat, R. N. Palchesko, J. H. Park, M. S. Grodzicki, H. J. Shue, M. H. Ramadan, A. R. Hudson, A. W. Feinberg. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 2015. DOI: 10.1126/sciadv.1500758
- A. Lee, A. R. Hudson, D. J. Shiwarski, J. W. Tashman, T. J. Hinton, S. Yerneni, J. M. Bliley, P. G. Campbell, A. W. Feinberg. 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. 2019. DOI: 10.1126/science.aav9050
- M. Rahimnejad, A. Adoungotchodo, N. R. Demarquette, S. Lerouge. Thermoresponsive chitosan hydrogels for 3D bioprinting. Bioprinting. 2022. DOI: 10.1016/j.bprint.2022.e00209
- G. Bao, T. Jiang, H. Ravanbakhsh, A. Reyes, Z. Ma, M. Strong, H. Wang, J. M. Kinsella, J. Li, L. Mongeau. Embedded bioprinting of cell-laden hydrogels using a yield-stress support bath. Materials Horizons. 2020. DOI: 10.1039/D0MH00768A
转发语：传统嵌入式打印的凝胶浴总让细胞缺氧，这篇用鸡蛋清泡沫做支撑浴，打印完自己“化掉”，细胞7天存活率飙到97%以上，大体积组织打印终于不用怕长周期缺氧了。
联系人：李东伟
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