导读
载有颗粒物（蛋白质、药物、纳米颗粒和细胞等）的水凝胶已被广泛用于开发新型或创新型生物材料。精确控制颗粒的空间分布对于生产先进生物材料至关重要。因此，对颗粒物负载水凝胶的制造方法的要求很高。当前，水凝胶3D 打印成为一种极具前景的用于制造创新型生物材料的方法。在 众多3D 打印方法中，喷墨打印（即按需滴墨-DOD 打印）因可构建具有卓越空间分辨率的生物材料而脱颖而出。然而，由于对打印过程中墨水行为的理解有限，其打印过程仍然需要通过反复试验来设计完成。本文系统综述了载颗粒物水凝胶喷墨打印的传输过程和水凝胶行为机制，包括墨水配制、喷射和固化过程中水和颗粒在水凝胶中的传输过程等。本文进一步总结了喷墨打印在制造工程化组织、药物输送装置和先进生物电子元器件等领域的应用现状。最后，探讨了下一代喷墨打印的挑战和机遇。
图文摘要
01. 介绍
图1. A. 直接喷墨打印装置示意图；B. 在培养基中直接打印的各种细胞图案展示：（i-iii）红色、绿色和蓝色标记的细胞图案荧光图像；（iv）使用NIH3T3和HEK293A细胞异型共培养模型打印的锯齿图案；C. 通过直接喷墨打印，用三种颜色染料标记的细胞组成的“埃菲尔铁塔”图案。
02.基于水凝胶的生物材料的喷墨打印
图2. A. 孔板上沉积液滴的代表性图像；在更高浓度下，喷嘴堵塞的概率增加；B. 不同海藻酸钠溶液在剪切速率下的粘度变化。随着剪切速率的增加，粘度迅速下降，表现出剪切变稀现象，其中高浓度海藻酸钠的剪切粘度降低幅度最大；C. 不同PEGDMA 1000总百分比对水凝胶弹性的影响。总聚合物百分比的减少导致弹性模量的降低；D. 在PEGDMA 1000水凝胶中增加高分子量PEGDMA的百分比导致弹性模量的降低。每种水凝胶的成分包括给定百分比的高分子量（Mw）聚合物，其余部分由PEGDMA 1000组成。
图3. A. 细胞负载水凝胶在喷嘴内的速度（u）和剪切应力（τ）分布示意图。B. 剪切应力对打印后细胞活力的影响。右侧显微图像显示了打印后存活（绿色染色）/ 死亡（红色染色）的细胞；C. 通过水凝胶前体和交联剂的自发喷墨打印进行微反应喷墨打印。
图4. A. 实验结果显示打印间距和基板温度对相邻逐滴打印水凝胶形成的影响；B. 计算扩张结果显示固化温度对相邻逐滴打印水凝胶形成的影响；C. 实验颗粒分布结果与颗粒传输参数的相关性，显示相同曲线趋势；D. 每个实验案例中颗粒分布的代表性荧光照片。
03. 新兴生物医学进展
图5. A. (i) 用于构建胶质母细胞瘤（GBM）芯片模型的生物墨水示意图；(ii) 含有HUVECs（紫色表示）的脑dECM生物墨水部分和含有GBM细胞（蓝色表示）的脑dECM生物墨水部分的模拟图；B. 细胞负载互穿聚合物墨水的喷墨打印示意图及其组织压缩假设机制，以及相应的0–24小时延时图像显示打印结构的主动收缩（绿色：CAF，红色：Pacn10.05，比例尺：500um）。
图6. A. 3D喷墨打印药片用于控制和可调节的药物释放；B. 消费级喷墨打印机用于个性化药物。(i) 微流控系统反应物装载期间的喷墨系统示意图；(ii) 第1次和第10次打印后的微容器光学显微图像，展示了以最小浪费进行定制装载的可能性；(iii-上) 从先装载10剂/层的普萘洛尔或呋塞米，然后装载5剂/层的另一种药物的微容器中释放的时间药物释放光谱。(iii-下) 使用未混合的信号，将时间光谱分解以可视化两个装载示例中各自药物的释放动力学。
图7. 基于水凝胶电子器件的(A) 在水凝胶中添加离子盐以实现离子导电水凝胶及其一个示例(B) 触摸板；C 通过加入电导微型或纳米复合材料赋予电子导电性及其一个示例(D) 通过在聚丙烯酰胺-海藻酸钠水凝胶中加入波状钛线实现的皮肤贴片；E 将导电聚合物引入水凝胶的聚合物网络以增强电子导电性及其一个示例(F) 图案化的PEDOT水凝胶电极。
本文亮点
最近出现了喷墨打印技术，用于将颗粒物质的水凝胶构建成先进的生物材料和生物医学器件。
建立对喷墨打印中滴内和滴间传输过程的基本理解。
讨论了下一代喷墨打印的挑战和机遇。
END
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00024-4
引用格式
Cheng, C., Williamson, E.J., Chiu, G.TC. et al. Engineering biomaterials by inkjet printing of hydrogels with functional particulates. Med-X 2, 9 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00024-4
作者简介
Cih Cheng，美国普渡大学机械工程博士。攻读博士学位期间，领导了将喷墨打印技术应用于生物医学领域的创新研究。工作重点是制造具有功能颗粒的水凝胶，在生物医学设备方面取得了开创性的进展，这些设备可以模拟复杂的生物组织。目前，她在英特尔担任研发工程师，在那里她继续推动技术创新。她的研究成果已发表在多个同行评审的期刊上，认可了她在工程领域的杰出贡献。
Bumsoo Han，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程教授，伊利诺斯州癌症中心的Phil & Ann Sharp癌症研究学者。在加入伊利诺伊大学之前，Bumsoo Han教授曾是美国普渡大学机械工程系教授，也是NCI指定的普渡癌症研究所药物传递和分子传感项目的项目负责人。他在明尼苏达大学获得机械工程博士学位，在韩国首尔国立大学获得硕士和学士学位。博士毕业后，在明尼苏达大学攻读机械与生物医学工程博士后。曾获得美国国防部乳腺癌研究博士后奖、美国国家科学基金会职业奖、美国AFOSR教师奖学金(预测毒理学)和美国机械工程师协会生物力学工程杂志Richard Skalak最佳论文奖。此外，他还是美国机械工程师协会的会员。Bumsoo教授的研究兴趣主要是癌症研究和组织工程的生物运输过程，如肿瘤微环境中的药物转运、工程微生理疾病模型和基质组织中的细胞-基质相互作用等。
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Med-X 期刊发文聚焦生物医学工程领域，包括但不限于以下10个前沿专题：分子与细胞工程，生物材料与组织工程，药物、基因和细胞输送系统，免疫工程，生物力学与机械生物学，生物热科学与工程，生物医学仪器与生物传感器，医学机器人、人工智能和远程医疗，生物医学影像学，生物信息学和计算生物学等。
