《Advanced Science》扩散驱动的生物3D打印：如何“打印”出人体组织？

引言

生物3D打印是再生医学和体外组织模型构建的革命性技术，但其核心挑战在于如何精准控制打印结构的力学性能和生物学功能。扩散（Diffusion）——这一自然界中分子自发迁移的物理过程，正在成为生物打印领域的新“设计工具”。斯坦福大学的Sarah C Heilshorn教授及其团队在《Advanced Science》发表的综述《Diffusion-Based 3D Bioprinting Strategies》（IF:14.3）中，系统总结了扩散策略如何革新生物3D打印，本文将解析其核心内容。

关键策略一：内向扩散——从外到内的精准控制

内向扩散指外部介质中的分子（如交联剂、催化剂）向打印墨水内部扩散，触发凝胶化反应。例如：

交联剂扩散：将未交联的海藻酸钠墨水挤入含钙离子的支撑浴中，钙离子扩散至墨水中形成离子交联，稳定打印结构。

pH诱导凝胶化：胶原墨水在碱性缓冲液的扩散下，pH升高触发自组装成纤维网络。

术语解释

凝胶化（Gelation）：液态墨水通过化学或物理交联形成固态水凝胶的过程，赋予结构机械强度。

支撑浴（Support Bath）：一种粘弹性介质，用于支撑打印结构并调控扩散速率。

涉及交联剂向内扩散以进行原位凝胶化的生物打印策略

关键策略二：外向扩散——动态调节材料性能

外向扩散指墨水中的成分（如临时粘度调节剂）向外释放，从而动态调整最终结构的性能。例如：

甲基纤维素（Methylcellulose）作为临时增稠剂，打印后逐渐扩散出结构，形成多孔网络，改善细胞相容性。

钙离子释放：双交联墨水中的海藻酸钠逐渐释放钙离子，形成微通道促进内皮细胞迁移。

利用向外扩散来改变打印后生物打印结构特性的方法

关键策略三：构建内扩散——打造生物梯度

通过构建内扩散，可在打印结构中形成生长因子或药物的空间梯度，模拟天然组织的化学微环境。例如：

神经导管模型：在特定区域打印载有神经生长因子（NGF）的水凝胶，扩散形成浓度梯度，引导轴突定向生长。

骨软骨分化：核心区域释放BMP-2和TGF-β3，扩散至周围区域诱导干细胞分化为骨或软骨细胞。

利用打印结构内的扩散的生物打印策略

应用突破：多材料与可灌注结构

多材料构建：通过扩散不同交联剂，将海藻酸钠、明胶和GelMA分层打印，形成仿生血管壁结构。

生物打印方法利用扩散生成多材料结构

可灌注通道：同轴打印钙离子核心与海藻酸钠外壳，钙扩散交联形成中空管道，内皮细胞可沿管壁生长。

基于扩散的同轴生物打印策略，用于制造自支撑可灌注结构

基于扩散的界面凝胶方法，用于制造自支撑可灌注结构

未来展望：智能扩散与临床转化

动态调控：结合光、热响应材料，实现按需触发扩散。

患者特异性植入物：基于医学影像数据打印个性化血管或神经导管。

疾病模型：构建复杂血管网络模拟肿瘤微环境或动脉粥样硬化。

结语

扩散不仅是自然现象，更是生物3D打印的“隐形设计师”。通过精准控制分子迁移路径，科学家正一步步逼近“打印”真实人体组织的目标。未来，这项技术或将成为定制化器官移植和疾病研究的核心工具。

文献原文:10.1002/advs.202306470

文献链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10885663/

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