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嵌入式生物打印实现高结构仿真度培养肉的精确制造

Dongwei Wu, Shumin Pang, Sabrina Bäther, Lisa Woelken, Mariia Abyzova, Jordi Morales-Dalmau, Astrid Haibel, Yunpeng Jia, Johanna Berg, Benedikt B. Kaufer, Caroline Denesvre, Anja Maria Wagemans, Cornelia Rauh, Jens Kurreck | Food Hydrocolloids 2026 | DOI: 10.1016/j.foodhyd.2025.111795

标签: #培养肉 #嵌入式生物打印 #海藻酸钠水凝胶 #μCT扫描 #Cellink BioX6

项目 信息
通讯作者 Jens Kurreck (柏林工业大学应用生物化学系)
机构 柏林工业大学、德累斯顿工业大学、汉诺威莱布尼茨大学等
关键技术 嵌入式生物打印、μCT扫描分割、海藻酸钠离子交联、细胞兼容性验证
使用设备 Cellink BioX6 3D生物打印机（气动打印头，22G针头）
核心发现 2%海藻酸钠配方结合铸造+嵌入式打印，可精确复制猪排大理石纹结构

一、做什么 🔬

核心问题

现有培养肉技术大多只能产出碎肉级别的无结构产品，无法复制天然肉块中肌肉和脂肪的复杂空间排布（大理石纹），而这正是决定口感和消费者接受度的关键因素。

解决方案

开发了一种铸造+嵌入式生物打印混合工艺：

  1. 先铸造肌肉主体：将含细胞的2%海藻酸钠水凝胶浇铸到多孔板或3D打印模具中作为支撑浴
  2. 再嵌入打印脂肪组织：用气动打印头将含脂肪细胞的生物墨水精确沉积到肌肉基质内部
  3. μCT数字化复制：对真实猪排进行微CT扫描，分割肌肉/脂肪区域，生成3D模型 -> 打印负模 -> 铸造肌肉 -> 按G-code打印脂肪路径

技术路线

步骤 方法 目的
水凝胶筛选 1%/2%/3%海藻酸钠流变学测试 确定最优打印浓度
细胞兼容性 XTT代谢活性+Live/Dead染色 验证2% Alg + CaCl₂对鸡/猪细胞的毒性
嵌入式打印验证 不同长度/密度的丝状沉积 证明打印精度和可重复性
多肉类仿真 猪肉、牛肉、鱼肉、整块牛排模型 展示技术通用性
μCT数字化猪排 μCT扫描→图像分割→3D建模→负模铸造→嵌入式打印 高保真复制天然结构

二、发现什么 📊

配图 📸

图1：海藻酸钠配方优化：流变学特性（振幅扫描/剪切速率/触变恢复/频率扫描）与嵌入打印性能对比
图1：(a)振幅扫描确定线性粘弹区，2%和3% Alg表现出固体行为（G'>G''），1%呈液态不适合打印。(b)剪切变稀特性：所有浓度下粘度随剪切速率增加而降低。(c)触变恢复测试：2%和3% Alg在高剪切后迅速恢复固体结构。(d)频率扫描：高浓度形成更稳定的网络。(e)嵌入打印Z字形图案验证保真度。(f)浇铸行为对比：2% Alg均匀铺展，3% Alg保持丝状不流动。

做了什么 对1%/2%/3%海藻酸钠进行四组流变学测试（振幅扫描、剪切速率扫描、触变恢复、频率扫描）及实际打印/浇铸实验
发现什么 1% Alg呈液态（G'<G''），无法支撑结构；3% Alg浇铸后保持丝状、摇动30秒也不铺展；2% Alg在剪切率>0.01%时呈固态（G'>G''），高剪切下剪切变稀，恢复测试中迅速重建网络，且浇铸后能均匀铺展
说明什么 2%海藻酸钠是铸造和嵌入打印的最佳平衡点——流动性足够浇铸肌肉主体，剪切变稀特性允许针头轻松穿过支撑浴，打印后又能快速恢复结构稳定性

图2：海藻酸钠水凝胶的生物相容性评估：鸡ESCDL-1细胞、猪成纤维细胞、猪脂肪细胞的代谢活性与脂质积累
图2：(a)不同CaCl₂浓度（25/50/100 mM）下鸡ESCDL-1细胞7天代谢活性，25 mM最优。(b)Live/Dead染色验证：CaCl₂浓度越高死细胞越多。(c)猪成纤维细胞1-7天代谢活性显著增长。(d)猪脂肪细胞在脂肪分化培养基中7天代谢活性显著高于对照。(e)Bodipy脂质染色：脂肪分化组14天后大量绿色脂滴积累。(f)脂质含量定量：分化组比对照高3500倍以上。(g)代谢活性对比。

做了什么 用2% Alg + 5×10⁶ cells/mL生物墨水分别包埋鸡ESCDL-1细胞、猪成纤维细胞、猪脂肪细胞，打印后分别用25/50/100 mM CaCl₂交联，评估1-14天代谢活性、细胞存活率和脂质积累
发现什么 25 mM CaCl₂组鸡细胞7天代谢活性显著高于50 mM和100 mM组（100 mM时大量细胞死亡）；猪成纤维细胞1-7天代谢活性从100%增至约250%；猪脂肪细胞在分化培养基中脂质积累比对照高3500倍以上（p<0.001），且代谢活性也显著提高
说明什么 低交联密度（25 mM CaCl₂）在机械稳定性和营养扩散间取得最佳平衡；2% Alg水凝胶不仅支持细胞存活和增殖，还能让脂肪细胞正常分化积累脂质——这证明该体系可用于培养肉中脂肪组织的构建

图3：嵌入式生物打印的精度验证与可重复性：不同长度丝状沉积、双细胞类型空间定位、不同密度填充
图3：(a)设计模型与实际打印对比：1/3/5/10 mm丝状结构打印精度。(b)HEK293-RFP（红）和HEK293-GFP（绿）双细胞共打印，空间分离清晰。(c)不同填充密度（5%/10%/20%/30%）的打印效果。(d)三次重复实验的灰度值曲线高度重合。

做了什么 在2% Alg支撑浴中沉积不同长度（1/3/5/10 mm）和密度（5%/10%/20%/30%）的丝状结构，并用荧光标记的HEK293-RFP和HEK293-GFP细胞验证多细胞类型空间定位能力
发现什么 打印结果与设计模型高度吻合，特别是≥3 mm的长丝精度极高；双荧光标记显示红绿细胞在各自指定区域均匀分布、互不混合；三次独立重复实验的灰度值曲线几乎完全重叠
说明什么 嵌入式打印技术在细胞空间排布上具有高度可重复性和精度，≥3 mm的沉积长度更适合稳定打印。这为后续复制真实肉类中肌肉/脂肪的复杂空间排布奠定了基础

图1→图2的逻辑：确认了2% Alg是最佳配方后，必须验证它对人体和动物细胞是否安全，否则打印精度再高也无法用于培养肉。

图2→图3的逻辑：细胞兼容性问题解决后，需要证明嵌入打印技术本身能否精确控制细胞的空间位置——培养肉的核心就是"肌肉在哪、脂肪在哪"的精准排布。

图4：四类人工肉结构的嵌入式生物打印：猪肉纹理、牛肉大理石纹、鱼肉条纹、整块牛排模型
图4：(a)猪肉：条状脂肪分布在红色肌肉基质中。(b)牛肉：斑点状脂肪分布。(c)鱼肉：平行条纹交替排列。(d)整块牛排：在3D打印PLA模具中铸造的牛排形状，脂肪大理石纹精确嵌入肌肉基质。左列：光学照片；中列：ChemiDoc荧光成像；右列：荧光显微镜放大图。

做了什么 使用HEK293-RFP（红，代表肌肉）和HEK293-GFP（绿，代表脂肪）两种荧光细胞，设计并打印了四种肉类纹理模型：猪肉（条状脂肪）、牛肉（斑点脂肪）、鱼肉（平行条纹）、整块牛排
发现什么 四类模型的脂肪分布与计算设计高度一致，宏观光学照片和荧光成像均显示肌肉/脂肪边界清晰，显微镜下红绿荧光区域在微观尺度上互不渗透
说明什么 嵌入打印技术可以灵活复制不同肉类的脂肪分布模式，并且脂肪含量可自定义调整。这证明该技术不限于单一产品，而是可以按需定制不同肉类纹理

图3→图4的逻辑：验证了打印精度和可重复性之后，下一步自然是将技术应用到实际肉类模型——从简单的丝状结构升级到复杂的猪肉/牛肉/鱼肉纹理。

图5：基于μCT扫描的天然猪排高保真复制流程与结果
图5：(a)完整流程：真实猪排→μCT扫描→图像去噪+曝光校正→肌肉/脂肪分割→3D模型→FDM打印负模→铸造肌肉→G-code打印脂肪。(b)打印成品：交联后猪排整体（I）、局部放大显示肌肉脂肪纹理（II）、横截面（III）、切成小块展示脂肪空间分布（IV）。(c)荧光显微镜：Calcein AM染色显示肌肉和脂肪区域均有强活细胞信号。(d)含5%豌豆蛋白的肌肉组分颜色略浅。(e)橄榄油煎8分钟后结构保持完整、呈棕色。(f)含豌豆蛋白的完整猪排。(g)成分表：海藻酸钠、豌豆蛋白、猪成纤维细胞、脂肪细胞的具体含量。

做了什么 对真实猪排进行μCT扫描，用ImageJ+自研Python脚本进行图像去噪和曝光校正，分割肌肉和脂肪为两个3D模型。用FDM 3D打印肌肉负模，铸造含猪成纤维细胞的海藻酸钠凝胶作为支撑浴，再按G-code将含脂肪细胞的生物墨水嵌入打印。额外在肌肉相中加入5%豌豆蛋白增强营养
发现什么 打印成品成功复制了天然猪排的不规则脂肪大理石纹分布，横截面分析显示脂肪区域均匀分布在肌肉基质内。Calcein AM染色确认打印后细胞存活率良好。加入5%豌豆蛋白后颜色略浅但不影响结构。橄榄油煎8分钟后结构保持完整，表面呈诱人棕色
说明什么 μCT+嵌入式打印的组合实现了从"真实肉→数字模型→培养肉"的完整闭环。这是培养肉领域首次用真实组织的3D结构数据来指导生物打印，比之前基于CAD设计或目测估算的方法更接近真实肉的外观和结构

三、说明什么 💡

核心意义

发现 意义
嵌入式打印精确复制了猪/牛/鱼的脂肪分布 培养肉终于有了"整块肉"级别的结构仿真能力，不再是碎肉
μCT扫描分割真实肉结构 -> 指导打印 开创了"真实组织数字化→3D打印复制"的新范式，替代了此前的CAD设计或目测估算
2% Alg + 25 mM CaCl₂ 配方兼顾打印性和细胞存活 为培养肉提供了一套低成本、可重复的标准化水凝胶方案
脂肪细胞在Alg基质中正常分化积累脂质（3500倍） 证明培养肉中的脂肪组织不仅是"填充物"，可以具有真实的代谢功能
橄榄油煎8分钟后结构不崩解 初步验证了打印培养肉的烹饪适用性

产品关联

产品 关联度 应用场景
Cellink BioX6 ⭐⭐⭐⭐⭐ 本文实际使用的设备——气动打印头+22G针头完成嵌入式打印，是核心制造工具
Cellink 气动打印头 ⭐⭐⭐⭐⭐ 脂肪组织沉积的关键执行器，控制挤出精度和细胞存活率
Cellink 生物墨水体系 ⭐⭐⭐ 本文使用海藻酸钠而非Cellink官方墨水，但Cellink的海藻酸钠/GelMA等配方可直接替代
Cellink 交联 ⭐⭐⭐ 25 mM CaCl₂喷雾交联是打印后结构稳定的关键步骤

局限与展望

  1. 海藻酸钠缺乏生物活性：Alg本身不提供细胞黏附信号，未来可能需要功能化或与蛋白基材料（如GelMA、胶原）共混
  2. μCT软组织分辨率有限：肌肉和脂肪密度差异小，深层信号衰减影响分割精度——更精细的结构（血管、结缔组织、肌纤维取向）目前无法分辨
  3. 长期培养挑战：大尺寸培养肉的营养扩散和缺氧问题是规模化障碍，可能需要集成类血管网络
  4. 无血清培养基：当前仍使用FBS，与培养肉的伦理目标矛盾
  5. 感官评价缺失：本文侧重结构仿真，尚未进行口感、风味、质地的系统评估

原文下载

📄 Embedded bioprinting enables precise fabrication of cultured meat with authentic structural properties

参考文献

  1. Wu D, Pang S, Bäther S, et al. Embedded bioprinting enables precise fabrication of cultured meat with authentic structural properties. Food Hydrocolloids. 2026; 171: 111795. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2025.111795
  2. 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. Nature Communications. 2021; 12: 5059. DOI: 10.1038/s41467-021-25385-6
  3. Wu D, Pang S, Berg J, et al. Bioprinting of perfusable vascularized organ models for drug development via sacrificial-free direct ink writing. Advanced Functional Materials. 2024; 34: 2314171. DOI: 10.1002/adfm.202314171
  4. Fang Y, Guo Y, Wu B, et al. Expanding embedded 3D bioprinting capability for engineering complex organs with freeform vascular networks. Advanced Materials. 2023; 35: 2205082. DOI: 10.1002/adma.202205082

转发语：培养肉终于有了"整块肉"级别的仿真能力——μCT扫描真实猪排→3D建模→嵌入式生物打印，连大理石纹都能精确复制，煎8分钟还不散架。Cellink BioX6全程参与制造。

联系人：李东伟
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