生物3D打印是以數字三維模型為模板，通過層層堆疊的方式制造生物材料、生物支架或組織器官的生產方式。其作為現代醫學的有力輔助手段，正在實驗和臨床階段發揮越來越重要的作用。

目前，生物3D打印的多種方式中，擠出式打印配合分散有細胞的水凝膠已經可以打印出多種簡單的組織、器官，但其機械強度仍然無法達到在高度上隨意堆疊的程度，即只能打出近似平面結構。因此，有科學工作者將分散有細胞的水凝膠與纖維搭配使用，通過纖維搭建的三維支架，將細胞填充以進行培養^[1]。

目前比較成熟的纖維打印使用的是熔融沉積成型技術（Fused Deposition Modeling, FDM），但FDM相對較差的分辨率，使得打印出來的支架無法穩定提供用于細胞分化的合適微環境。在此情況下，新型的熔融電子書寫（Melt Electrowriting, MEW，也被稱為熔融靜電紡絲）逐漸被人們所重視。MEW的打印精度完全可以達到相關實驗的要求，但之前的報道均是先打印好支架，然后再將細胞嵌入其中。這對于結構復雜的支架而言，很難保證內部充分填充，于是荷蘭烏特勒支大學教授Miguel Castilho和Jos Malda通過采用regenHU 3DDiscovery Evolution系列打印機的擠出和靜電紡絲兩種打印頭協調工作，成功實現單步驟完成活性生物結構的打印過程。

同時安裝靜電紡絲打印頭和擠出式打印頭，即可實現單一步驟打印

該科研組為馬間充質干細胞進行熒光染色后，將其分散在10%甲基丙烯酸酐化明膠（gelMA）中，作為生物墨水，用擠出式打印頭進行打印；選用聚己內酯作為支架墨水，用靜電紡絲打印頭進行打印。靜電紡絲可以打印細至13 μm的絲線，而gelMA的擠出式打印直徑在200 – 400 μm之間，通過靜電紡絲打印出框架，使得gelMA可以固定在既定位置，間接提高了擠出式打印頭的分辨率。

分別用Dil（紅）、DiO（藍）和DiD（綠）染色的馬間充質干細胞在纖維支架（灰）中的打印情況

當然，在生物體中，纖維的分布遠比簡單幾何圖形要復雜，為了證明這種打印方式可以應用于更為復雜的條件，該科研組也嘗試在各種不同形狀的水凝膠表面打印纖維，均有良好的附著和定形能力，大大擴展了該纖維打印方式的應用面。
 

靜電紡絲（橫向細線，白色箭頭）打印在由水凝膠（底部斜向粗線，黃色箭頭）堆疊的不同形狀表面

同時，科研組也對打印環境、打印條件對生物墨水中細胞成活率的影響進行了詳盡的研究。科研組將生物墨水分別暴露在打印環境中15、30、45、60 min，再進行細胞分化培養。發現相對于直接澆筑成形（暴露0 min）的活性組織結構，細胞的成活率分別下降了12%、33%、63%和80%。而靜電紡絲電壓測試顯示，使用0、5、10、15 kV的電壓進行工作對細胞成活率無顯著性差異。

不同打印時間對細胞成活率的影響                               不同工作電壓對細胞成活率的影響

Miguel Castilho和JosMalda的成果使得打印生物活性結構的效率得到了進一步提升，構建準確可控的三維結構組織得以實現，我們可以在不對機械強度、細胞成活率做出讓步的前提下構建臨床可用的組織、器官。

參考文獻：

[1] AkbariM , Tamayol A , Laforte V , et al. Composite Living Fibers for Creating TissueConstructs Using Textile Techniques[J]. Advanced Functional Materials, 2014,24(26):4060-4067.

[2] deRuijter Mylène, Alexandre R , Inge D , et al. Simultaneous Micropatterning ofFibrous Meshes and Bioinks for the Fabrication of Living Tissue Constructs[J].Advanced Healthcare Materials, 2018:1800418.