基于GelMA的3D生物打印技术研究进展及应用

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基于 GelMA 的3D 生物打印技术研究进展及应

用

摘要：近年来，3D 生物打印技术引起了生物医学工程和临床应用领域人们的广泛关注。这种

技术允许无与伦比的结构控制，可以克服传统生物制造技术的限制。同时可以精确分配载细胞

的生物材料，用于构建复杂的 3D 功能活体组织或人造器官。利用 3D 生物打印技术，多种基于

GelMA 的生物墨水得到了开发和应用。综述了 3D 生物打印技术的原理、GelMA 的合成和表征

以及 GelMA 在3D 生物打印技术中的研究进展及应用。

3D 生物打印技术是生物制造、增材制造、组织工程和再生医学融合的产物。利用计算机辅助

设计软件（CAD），将含活细胞的生物材料（生物墨水）连续堆叠和组装，从而设计出一个有

活性的三维结构。该技术旨在人工开发活体组织和器官的替代品，用于组织工程、再生医学、

药代动力学和生物学研究[1]。

一种理想的生物墨水应该具有目标组织的适当的机械、流变和生物特性，这对确保生物打印组

织和器官的正确功能至关重要。GelMA 由于其具有的可调节机械性能、良好的生物相容性、原

位光聚合能力以及可打印性，越来越被人们认为是一种重要的生物墨水材料[2]。GelMA 合成

最早是由 BULCKE 等报道的，GelMA 是一种基于明胶的工程材料，已被证明可用于组织工

程、药物输送、细胞培养和 3D 打印等领域[3]。

近几年，基于 GelMA 水凝胶的生物墨水在 3D 生物打印技术中被大量研究，这些研究主要集中

于生物医学领域，本文总结了 3D 生物打印技术的原理、GelMA 的合成和表征以及 GelMA 在

3D 生物打印技术中的研究进展及应用，以期为基于 GelMA 的3D 生物打印技术的应用提供参

考。

　　 1　3D 生物打印技术

组织工程的成功主要依赖于构建复杂、充满细胞的 3D 结构能力，这些结构与原始的活组织非

常相似。因此，设计和创建生物材料支架的结构和地形的策略是功能性组织工程的一个重要方

面。根据工作原理，3D 生物打印技术可分为 3种，即喷墨生物打印、激光辅助生物打印、挤

压生物打印。这些生物打印策略可以单独使用或联合使用，以实现预期的目标和组织制造。

1.1 喷墨打印

喷墨生物打印与传统的 2D 喷墨打印非常相似。将生物墨水储存在墨盒中，然后将该墨盒连接

到打印机头，并在电子控制的打印过程中充当生物墨水源。在打印过程中，通过热致动器或压

电致动器使打印头变形并挤压产生可控制大小的液滴，如图 1(a）所示。喷墨打印的优势为构

造简单、成本低、打印速度快、有较高细胞生存能力（通常从 80%到90%）。缺点也相当明

显，如高黏度的材料或高密度的细胞会导致喷头堵塞。

1.2 激光辅助打印

这种生物打印策略源于激光诱导正向转移（LIFT）效应，以精确和微米分辨率打印不同的活细

胞和生物材料。激光辅助打印系统的关键部分是响应激光刺激的供体层。该供体层为缎带结

构，顶部为吸能层（如钛或金），底部为悬浮生物墨水溶液层。在印刷过程中，聚焦的激光脉

冲用于刺激吸收层的一小片区域。激光脉冲使部分供体层汽化，在生物墨水层的界面产生高压

气泡，推动悬浮生物墨水[4]。下落的生物液滴被收集到接收底物上，然后交联，如图 1(b）所

示。与喷墨打印相比，激光辅助打印可以避免分配器与生物墨水之间的直接接触。这种非接触

式打印方法不会对细胞造成机械压力，因此细胞存活率高通常高于95%。此外，激光辅助打印

可以打印高黏性材料。缺点是成本较高，同时由于激光源的存在通常使这类打印机比较笨重和

复杂。

1.3 挤压打印

挤压打印是喷墨印刷的一种改进。为了打印喷墨打印机无法沉积的黏性材料，挤出打印使用空

气泵或机械螺杆柱塞来分配生物墨水，如图 1(c）所示。通过施加一个连续的力，挤压印刷可

以打印不间断的圆柱线，而不是单一的生物墨水滴。几乎所有类型的不同黏度的水凝胶预聚合

物溶液以及细胞密度高的聚集物都可以用挤压生物打印机打印。

图1 3D 生物打印技术原理图[4]

　　 2　GelMA 的合成

制备GelMA 的方法，都是基于 BULCKE 等首次报道的一般方法的微小变化。合成方法如下

[5]：将明胶加入至PBS 中，50℃搅拌至完全溶解，然后以一定的速率加入 MA，反应3 h。混

合溶液用 PBS 稀释以停止反应，通过透析 5～7 d，完全去除具有潜在细胞毒性的低分子量杂

质。最后，将透析液冷冻干燥后冷藏待用。

　　 3　GelMA 生物墨水表征

生物墨水在生物打印中扮演着重要的角色。它们不仅与细胞直接接触以提供结构支持，而且还

支配着生物墨水的化学和物理特性。理想情况下，用于生物打印的水凝胶应该具有如下特性。

3.1 可打印性和可交联性

可打印性指生物墨水和基质之间的关系，可以打印出准确、高质量的结构。在生物打印中，可

打印性通常与表面张力有关。生物墨水经加压后，只有快速交联才能保证打印结构的保真性。

3.2 机械性能

水凝胶应在聚合后保持足够的机械性能，为细胞提供稳定的附着、增殖和分化环境[6]。这些力

学性能包括应变、剪切应力、压缩模量和质量膨胀比。

3.3 生物相容性

生物相容性指材料在特定情况下与宿主发生适当反应的能力。生物相容性要求材料本身对细胞

增殖无害，并具有提供与细胞适当结合的能力。同时要求材料可以被细胞降解或与细胞融合，

而不会产生有害的副产品或与细胞产生负面的相互作用。

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摘要：

基于GelMA的3D生物打印技术研究进展及应用摘要：近年来，3D生物打印技术引起了生物医学工程和临床应用领域人们的广泛关注。这种技术允许无与伦比的结构控制，可以克服传统生物制造技术的限制。同时可以精确分配载细胞的生物材料，用于构建复杂的3D功能活体组织或人造器官。利用3D生物打印技术，多种基于GelMA的生物墨水得到了开发和应用。综述了3D生物打印技术的原理、GelMA的合成和表征以及GelMA在3D生物打印技术中的研究进展及应用。3D生物打印技术是生物制造、增材制造、组织工程和再生医学融合的产物。利用计算机辅助设计软件（CAD），将含活细胞的生物材料（生物墨水）连续堆叠和组装，从而设计出一个...

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