3D 生物打印的生物墨水選擇

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• 什麼是 Bioinks？
• 應該使用何種 3D 生物打印方法？
• 參考文獻

什麼是 3D 生物打印？

3D 生物打印能夠生成精確控制的 三維細胞模型 和組織建構，透過工程解剖形狀的基板與組織類似的複雜性。由於結構和組成的高度可控性，3D 生物打印有潛力解決醫學研究中許多尚未滿足的關鍵需求，包括在化妝品測試、藥物發現、再生醫學和功能性器官替代中的應用。¹ 可使用源自患者的幹細胞，如 誘導多能幹細胞 （iPS細胞）或 間充質幹細胞，創建個性化的疾病模型。根據不同的應用，可使用一系列的材料、方法和細胞來產生所需的組織構造（圖1）。如需更深入的資訊，包括有關 3D 生物打印的專家評論文章、協議和相關產品，請瀏覽我們的 3D 生物打印手冊.

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圖 1. 組織和器官的 3D 生物打印。Bioinks 是將培養細胞與各種生物相容性材料結合而成的。然後，可將 Bioinks 3D 生物打印成功能性組織構造，用於藥物篩選、疾病建模和體外移植。

什麼是 Bioinks？細胞 和 生物材料 模仿 細胞外基質 環境，支持打印後的細胞粘附、增殖和分化。3D 列印材料相比，生物墨水必須具備以下條件：

• 不超過生理溫度的列印溫度
• 溫和的交聯或凝膠化條件
• 無毒且能在列印後被細胞修改的生物成分

用於擠壓式列印的生物凝膠

細胞包覆水凝膠用於 3D 生物列印，可透過形成多細胞生物列印構建區塊來建立活組織結構。¹  與其他方法和材料相比，細胞包覆可精確控制細胞附著以及支架內細胞和生物分子的空間分佈。¹ 將多種細胞類型和生長因子以規定的模式結合，可產生高度複雜的組織構造。³ 除了生物相容性之外，用於細胞包覆的生物打印材料還必須具有高含水量和多孔性，使包覆的細胞能夠接收養分並排走廢物。¹ 作為水膨脹多孔網路，水凝胶是細胞封裝、組織工程和 3D 生物打印應用的理想材料。用於 3D 生物列印的水凝膠還必須具有可調節的基底硬度，並允許列印後的網路重塑，這樣細胞才能擴散、移動、增殖和互動。⁹ 雖然用於生物墨水的材料種類繁多，但最受歡迎的材料包括明膠甲基丙烯酸酯 (GelMA)、膠原蛋白、聚乙二醇 (PEG)、Pluronic^®、藻酸鹽，以及細胞外基質 (ECM) 基礎的脫胞材料 (表 1)。

特色生物墨水材料

甲基丙烯酰明胶甲基丙烯酰明胶（Gelatin Methacryloyl，GelMA）可用于形成交联水凝胶，用于组织工程和 3D 列印。以 GelMA 為基礎的生物接合劑具有優異的細胞相容性、可調整的基底硬度、更佳的列印性，以及暴露於紫外光或可見光（取決於光引導劑的特性）下可快速交聯¹¹。GelMA 已用於內皮細胞形態形成、心肌細胞、表皮組織、可注射組織構造、骨分化和軟骨再生。甲基丙烯酰明膠也被用於藥物傳輸應用的微球和水凝膠中。

圖 2. 甲基丙烯酰明膠

細胞材料

除了生物墨水之外，細胞材料也可用於 3D 生物印刷結構。² 細胞材料通常會為組織構造提供結構支撐，當與生物墨水一起使用時，可產生功能性的生物打印組織。細胞材料是多孔性結構，可重現原生細胞外基質 (ECM) 的機械和生物化學特性⁴。⁶  此外，細胞材料還必須具備細胞附著、增殖和分化所需的表面化學特性。⁵熱門的細胞材料包括：膠原蛋白、纖維蛋白、甲殼素、奈米纖維素、聚乳酸 (PLA)、聚己內酯 (PCL)、羥基磷灰石 (HA) 和β-磷酸三鈣 (β-TCP)（表 1）。

生物墨水材料積木

表一 3D 生物打印常用的生物材料。

Bioink 材料	概述	優點	缺點
Agarose	從海藻中萃取的多醣體	無毒交聯 高穩定性
藻酸鹽	來自褐藻的天然生物聚合物	低降解動力學； 細胞黏附性差
甲殼素	多醣體，取自貝殼類動物 (如蝦) 的外骨骼。例如蝦）。	高生物相容性 抗菌性	緩凝速率
在皮膚和其他結締組織中發現的主要結構蛋白質	高生物相關性	酸溶性
Decellularized ECM	從棲息的原生細胞中分離出組織的細胞外基質	高度生物相關性 高細胞存活率	未定義且不一致； 喪失原生 ECM 組織； 低穩定性
Fibrin/Fibrinogen	凝血過程中形成的不溶性蛋白	高度生物相關性 快速凝膠化	有限的可印刷性
由部分水解膠原蛋白所衍生的蛋白質	高生物相容性 高水溶性 熱可逆凝膠化	形狀保真度差； 硬度有限
碳基材料，可視為一原子厚的石墨薄片	柔軟 導電	生物相關性低
透明質酸 (HA)	廣泛分佈於結締組織、上皮組織和神經組織的非硫酸化氨基多糖。	快速凝膠化 促進細胞增殖	穩定性差
天然存在於牙齒和骨骼中的鈣磷灰石礦物形式	高強度與剛性	低印刷性； 有限的組織特異性
可生物降解的熱可塑性聚合物和/或共聚物	高強度與剛性	Low cell adhesion and proliferation
Pluronic® F127	聚环氧乙烷和聚环氧丙烷嵌段共聚物	不適合長期細胞培養

應該使用何種 3D 生物打印方法？

根據所選擇的油墨類型（生物油墨或細胞材料）和最終組織構造的複雜性，可以使用不同的 3D 列印方法（圖 1）。常見方法的優點和缺點可參閱下表（表 2）。

表 2. 3D 生物打印方法摘要。

列印方式	優點	缺點	相容於單元格？
擠出方式	可高度控制印刷速度和結構	剪切應力會影響細胞存活率	是
噴印速度快 與生物元件相容 成本低	需要低黏度材料	是
立体光刻 (SLA)	高解析度	需要大量材料 加工時間長 印刷時間長會降低細胞存活率	是	是
以雷射為基礎	高度精準	雷射產生的熱能可影響細胞	是
產生高多孔性結構	材料必須呈現熔融相 用於熔化材料的熱量與細胞不相容 難以製造複雜的幾何形狀	否
選擇性雷射燒結 (SLS)	可製造複雜的結構 每個印刷層之間產生更好的接合		否

除了油墨類型之外，生物列印方法也可能取決於列印構造的最終應用（表 3）。

組織工程應用

表 3. 組織構造的 3D 生物打印。

組織模型	使用的細胞	使用的生物印刷機	使用的生物連結材料	參考文獻
間充質 幹細胞	HP® ；Deskjet 500 印表機	Inkjet‐bioprinted acrylated peptides and PEG hydrogel with human mesenchymal stem cells promote robust bone and cartilage formation with minimal printhead clogging
	iPS細胞/ 軟骨細胞	3DDiscovery™。	納米纖維素/海藻酸鹽生物墨水中iPS細胞的3D生物打印的軟骨組織工程
	軟骨細胞	ITOP	PCL/Pluronic®	海藻酸鹽/ 聚乙烯醇/  新型藻酸盐-聚乙烯醇-羟基磷灰石水凝胶用于3D生物打印骨组织工程支架的开发
；	間充質 幹細胞	HP® ；Deskjet 500 印表機	GelMA	通過在 PEG-GelMA 中同時沉積和光交聯，從 3D 噴墨打印的人間充質幹細胞中改善骨和軟骨組織的特性
皮膚	公司內部	Fibrin/Collagen I	生物打印羊水衍生幹細胞加速大面積皮膚傷口癒合
	角質形成細胞/ 成纖維細胞	自家研發	利用三維生物打印技術設計和製造人體皮膚
血管	HUV.	HUVEC/HUVSMC/ 成纖維細胞	自製	Muscle Derived Stem Cells	公司內部	聚氨酯	三維生物打印的神經幹細胞載熱可生物降解聚氨酯水凝膠和中樞神經系統修復的潛力
肝臟	iPS細胞	Nanolitre配液系統	A549/HUVEC	生物工廠™	非胚胎化 ；Gelatin/Fibrin	在可灌注芯片上進行3D卷曲腎近曲小管的生物打印
Heart<	HUVEC/新生兒心肌細胞	NovoGen MMX	iPSC Derived Neurons	3D-BioPlotter®

結論

3D 生物列印技術可在定義的 3D 微環境中，以空間控制的方式放置細胞。Bioinks 由細胞和各種生物相容性材料結合而成，隨後以特定形狀列印，以產生類似組織的 3D 結構。結合我們在材料科學和細胞生物學的專業知識，我們提供各種解決方案來簡化 3D 生物列印的工作流程。

參考資料

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