引言
我们是否能够改造出适合体内移植的功能组织和器官？3D打印是否可以帮助实现这一目标？在过去的几十年中，这些问题已经成为组织工程学（TE）领域研究的最前沿，这得益于有关传统3D打印技术可以适应控制3D空间中高密度细胞群沉积的演示的推动。在不同的技术中，基于挤出的3D打印已被认为是实现TE视觉的最可能技术。特别是，对细胞活力影响有限的温和加工条件，以及它们在加工具有广泛性能的材料中的灵活性，使得该技术成为有吸引力的候选者。尽管挤压打印机已广泛用于3D生物打印（请参阅词汇表）领域，但距开发整个功能器官还有很长的路要走。因此，可以假设需要逐步改变以充分利用TE中基于挤出的3D打印的全部潜力。
在过去的几年中，一种新的方法得到了发展，它显示了将上述两种观点结合起来的潜力。悬浮液中的3D打印为机械弱生物油墨形成复杂、清晰的结构提供了一个平台。这种技术使用一个挤压3d打印机,存款材料不是放在一个平面上在空气中,但浴,暂停印刷材料,防止沉淀和崩溃(图1)。因此,它提供了一个范式转变生物打印通过减少需要生物仿生材料和可制造性之间的妥协。英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的Melchels团队发表在“TrendsinBiotechnology”上的“3DPrintinginSuspensionBaths:KeepingthePromisesofBioprintingAfloat”综述论文详细介绍了悬浮打印的技术原理及优势，并对这种技术的几个典型应用进行了讨论。
01悬浮介质标志着基于挤出的3D生物打印的新时代
悬浮介质具有独特的特性，这些特性决定了悬浮和完全封装印刷材料的能力。首先，悬浮液介质在没有外加应力或非常低的应力(如重力引起的应力)时表现出固体状特征。应用一种应力来克服临界应力，即屈服应力，将引发流动并使介质呈液体状。其次，悬浮液介质的微观结构在经过喷嘴的扰动和任何沉积材料的位移后，其微观结构会自动恢复;这种自愈能力允许介质从流态态转变回固态态，从而封装沉积的材料。理想情况下，流体化的介质应该是迅速的，以确保没有裂缝或空气袋将拖从移动喷嘴。因此，印刷软质材料或低粘度流体，往往含有高的水含量，是可行的与悬浮媒体的使用。这代表了可以使用基于挤压的打印技术打印的材料调色板的显著增加。图1提供了悬浮介质中打印策略的示意图，为制造冠状动脉树而量身定制。
图1所示。3D生物打印在悬浮介质策略中的示意图。(A)在自愈悬浮介质中写入生物墨水材料。移动的挤出机喷嘴使介质流化，允许沉积印刷材料。然后，该介质迅速在打印的灯丝周围重新分解，提供结构支撑。介质的屈服发生在局部的注入点，对介质的大部分干扰最小。(B)计算机辅助设计复杂的、非自支撑的动脉树。(C)在明胶浆悬浮液培养基中打印的打印动脉树的例子。
许多器官和组织表现出在其自然环境之外不能自我支持的结构特征。这种结构的制造既依赖于全向印刷，又依赖于在任意离散位置的印刷油墨的沉积——这是传统挤压技术所不能提供的自由度。佛罗里达大学的Angelini小组的工作证明了他们的悬浮介质——一种以聚丙烯酸颗粒为基础的悬浮介质(Carbopol;Lubrizol,Wickliffe,OH)，用于近距离打印具有独特生物形态的结构。利用悬浮介质，利用挤压打印机提供的潜力，在x、y和z平面上移动;因此，与自然形态更相似的结构现在可以用3D打印出来。
02悬浮液作为细胞外基质
打印后悬浮介质的保留为悬浮介质本身添加一定程度的功能提供了机会，例如操作3D细胞环境或r以保留嵌入稳定悬浮介质中的血管通道(图3A)。在悬浮液中包含的细胞使人产生了这样一种想法，即介质作为一个平台，在三维空间中定位细胞，同时提供一个体积矩阵，实现本机ECM的一些功能。悬浮介质以这种方式利用的明显优势是，有机会在更短的时间内制造更大的三维组织结构，增加三维生物打印的吞吐量。
图2。全向3D打印技术的发展:从屈服应力流体到悬浮液。(A)在非自愈的屈服应力流体中进行全向打印。(上图)使用可移动墨水的3d打印血管网络示意图。(下图)3D微血管网络的荧光图像，通过在可光解聚的PluronicF--diacrylate基体内全向印刷油墨(染成红色)制成。标尺，10毫米。复制从[13]。(B-F)悬浮介质中的全向打印。(B)印在颗粒悬浮液中的小型俄罗斯娃娃。(C)用荧光素标记的油墨(绿色)印制的灯丝，周围环绕着连续的螺旋结构(红色)，用罗丹明标记的油墨[5]印制。μm,规模人。(D)荧光微球在颗粒悬浮液中的连续结。(E和F)在海藻酸盐悬浮液中打印的人脑模型3d。比例尺，1厘米。
在二维细胞培养中，细胞的形态发育和运动比在三维环境中受到更多的限制。科学界越来越意识到，在细胞分化和组织组织方面，3D细胞培养更能反映复杂的细胞自然环境。悬浮介质的可行性提供了一个平台,三维细胞培养工作所反映出的是固体,液状物,颗粒微凝胶(由颗粒直径6-7μm)装在靠近在细胞培养基(N99%体积)用作三维细胞培养基质。在不受干扰的情况下，这些LLSs能够为细胞组装提供支持和稳定性，而微粒子之间的间隙允许营养物质和其他元素在整个体积中不受限制地扩散，从而为细胞提供代谢支持。本文还较好地描述了细胞在LLS介质中的迁移和分裂。作者观察到的力学性能在那悬浮介质,如低屈服应力,使细胞分裂发生与媒体的物理抗性可以忽略不计,详细的子细胞移动分开的近似速度15μm/h。类似于一些关于颗粒状水凝胶的开创性研究，他们发现细胞迁移是通过微粒子之间的孔隙空间发生的。这与细胞在交联的聚合物链网络中的运动不同，在交联网络中，细胞通常通过酶降解通过链之间的间隙纳米网格来创建隧道。这项工作详细说明了一种3D生物打印的悬浮液作为3D细胞培养基质的可能性，例如可以调节其机械性能以用于集体细胞力学的3D研究。在LLS培养基中，微粒子不相互连接，因此培养基可能在较长的培养周期内发生流化。设计一种能在长培养周期内提供机械稳定性的培养基，对大型组织构建的3D生物打印和成熟至关重要。Jeon和他的同事证明了这一点，他们在海藻酸盐微粒子中加入了光反应基团(交联基团)。他们将人间充质干细胞(hMSCs)3D生物打印成悬浮颗粒，然后通过低强度紫外线照射进行交联。在TE领域中，光活化交联由于能在温和条件下快速形成网络结构而被广泛应用。这种方法的优点是交联过程可以在空间和时间上很容易控制，因为光引发聚合只发生在有光源照射的区域。消除悬浮培养基流动的能力可以防止培养基的剪切屈服，从而为扩展的细胞培养提供一个机械健壮的基质。有趣的是，Alsberg研究小组还使用了这些载有hMSC的可交联微粒作为生物墨水，以印刷到悬浮介质中。在这种情况下，将明胶浆料用作印刷的悬浮介质，然后将其进行光交联。充满细胞的颗粒形成奇异的连续结构。
图3。在3d生物打印领域，悬浮液作为一种策略来帮助更好的生物模拟。(A)在悬浮介质中打印时可遵循的3d打印路径概述。(上)途径是指印刷后去除介质。当油墨发生交联时(例如，将嵌入的油墨暴露在紫外线下)，悬浮介质为油墨提供了机械稳定性。随后，为了提取打印的构造，介质被移除。(下)途径的定义为印刷后对介质的保留。在沉积牺牲墨之后，该介质交联形成单一结构。在这种交联状态下，介质失去了流动的能力。然后可以提取牺牲墨，例如用注射器针头，在结构内部留下空心通道。(B1)牺牲墨在胚状体悬浮液培养基中的书写。(B2)第一行:单数器官积木。规模50μm。第二行:去除牺牲印刷油墨后，在胚状体悬浮液中印刷的沟道横截面。μm。(C1和C2)在Carbopol悬浮液中打印的高度分叉的管状网络的示例，其中(C2)为从介质中释放出来的结构。
03血管形成的策略
悬浮液介质的材料特性有利于油墨在三维空间的全向挤压。随后，这为解决大型组织构建的血管化问题提供了一个平台，这是TE领域最突出的挑战之一。当将厚组织模拟物(大于几毫米大小)植入宿主组织时，血管形成尤为重要。一般来说，我们已经观察到，自发的血管生长进入植入的人工构建体的速度太慢，以至于无法阻止植入体内低氧核心的形成，导致细胞在完整的血管床建立之前死亡。先前关于组织类似物血管化的讨论强调了为了确保高细胞存活率而预先培养构建物的重要性。通常，血管网络是密集的，经常表现出结构特征，如缠结和复杂的分支。通过3D打印在悬浮液介质中复制这些特征依赖于打印通道的结构完整性，在打印后续通道时不会受到影响。通过平衡印刷速度和挤压压力与悬浮介质的流变性能，介质的流态化可以定位在离挤出机喷嘴非常小的距离内，从而最大限度地减少对介质和先前印刷通道的干扰。
尝试使用基于挤压的3D打印设备制造生物材料中的血管通道讲义主要产生具有方格或“木桩”排列的通道。这些方法已经使用了被铸造的生物材料基质。然后将牺牲材料溶解/液化以留下全息图。可以植入内皮细胞的低通道。但是，这样的结构缺乏综合性。血管网络的复杂，分层形态。使用屈服应力流体作为平台Lewis小组建立的旨在促进全方位印刷的方法，对于实现这一目标至关重要高度仿生的渠道。悬架表现出屈服应力的存在媒体已将这些媒体识别为打印仿生渠道的工具。在一个这样的例子中，Bhattacharjee及其同事使用了颗粒状悬浮物的功能。介质既会表现出屈服应力，又会自我修复以制造具有40个相连容器的结构的分层结构（图3C1和C2）。这个结构有三个分割级别，最后以直径为μm的非常狭窄的通道结束。然而，随后将印刷的脉管系统从悬浮介质中释放出来，从而使血管在该实施例中，非常规化没有提供基质的灌注。
04结束语
近年来，TE使用基于挤压的3d生物打印技术的进展，一直在努力克服打印软而富水的生物材料固有的局限性。悬浮介质中的3D打印有望通过提供一个平台来控制高含水的电池墨水的沉积，从而减轻这些限制。这种新型打印策略的早期采用者已经开始展示悬浮液介质对工程复杂生物结构的价值，利用了该介质的屈服应力提供的结构支撑以及该介质自发自愈的能力等优势。在短期内，这种打印策略将颠覆当前基于挤压的3d打印技术的前景。