生物細胞三維（3D）打印是一種新型的制造技術，通過該技術可以將細胞以及細胞支撐材料打印成復雜的具有 3D 結構與功能的組織。與其他 3D 打印技術相比，生物細胞 3D 打印需要對打印過程以及打印材料的生物環境進行研究。針對生物細胞 3D 打印的特點，本文主要討論了生物細胞 3D 打印技術的發展現狀，重點從打印技術與打印材料兩個方面展開介紹。其中，針對現有打印技術，本文重點介紹了噴墨法、擠出沉積法、光固化成型法以及激光輔助法的精度、制備過程、材料要求以及對細胞狀態影響，并在此基礎上比較了各自的優勢和局限性；針對常用的打印材料，本文重點介紹并對比了其交聯方式、生物相容性以及應用場合等。生物細胞 3D 打印技術目前仍主要在實驗室發展階段，對現階段生物 3D 打印技術原理與發展進行回顧總結不僅有助于思考如何將這一技術盡快投入實用，也有助于更好地規劃生物 3D 打印的未來發展方向。
引用本文： 楊潤懷, 陳月明, 馬長望, 王會琴, 王淑玥. 生物細胞三維打印技術與材料研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(2): 320-324. doi: 10.7507/1001-5515.201604026 復制
引言
三維（three dimension，3D）打印技術是利用光、熱等外界輸入，并配合打印材料的特性，將打印材料逐步固化、堆積成型，實現 3D 復雜結構的制造。目前 3D 打印技術不僅成為了工業制造領域的新型制造技術，同時為生物醫學領域帶來了新的研究思路與解決方案[1]。生物 3D 打印技術在醫學模型制造、活體細胞 3D 培養、藥物測試開發等領域已經取得了一系列的研究成果，更有望為組織器官再生、臨床修復治療、器官移植等醫學應用方向帶來全新的方法突破。
與普通 3D 打印技術不同的是，生物細胞 3D 打印與細胞的功能和存活率密切相關。具體來說，相比普通 3D 打印技術，生物細胞 3D 打印包含了更多的復雜性，如需要了解打印過程對細胞活性、功能的影響，并研究打印方法對細胞溶液濃度、黏度的要求，以及掌握生物打印材料的設計。因此，生物細胞 3D 打印有著特殊的技術要求與設計思路。本綜述著重調研了生物 3D 打印的打印方法和材料，對目前主流的打印方法進行了總結，并從打印方法和材料種類的選擇進行了分析，為生物 3D 打印平臺搭建以及相關領域的研究提供參考。
1 生物 3D 打印方法
生物細胞 3D 打印技術利用醫學成像技術如電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）以及 3D 建模軟件建立數字模型。細胞和生物材料依據該數字模型完成精確堆積，并最終形成形狀復雜的 3D 細胞結構[2]。這一技術的目的是在確保細胞的存活以及功能的前提下，形成具備生理功能的類細胞外基質的微結構或細胞結構。下面我們著重介紹近幾年發展起來的生物 3D 打印方法，包括噴墨（inkjet）、擠出沉積（extrusion）、光固化成型（stereolithography）、激光輔助（laser-assisted）等方法[3]，并對常用的生物 3D 打印材料進行總結，為進一步推動這一技術進入生產實用進行原理性分析并奠定理論基礎。
1.1 噴墨法
噴墨法也可被稱作微滴法（drop-by-drop），通過噴出微滴形成 2D 細胞圖案，層層疊加并最終形成 3D 細胞結構。該方法將可容納細胞和生物材料的生物打印墨盒安裝在三軸電控移動平臺上，通過電控平臺對微滴實現位移控制，完成 3D 結構制造[4]。這一方法打印成本低、平臺建設簡便。其微滴的形成主要依靠熱或者聲波使材料滴落。其局限性體現在每一個微滴在到達位置后必須快速聚合，以便下一個液滴可以繼續固定。這種快速凝膠的要求限制了可用材料的種類。同時，該方法使得細胞在打印過程中會受到熱或者力的影響，一定程度上會對細胞的活性以及功能產生干擾。此外，噴墨法要求打印材料的黏度不能過低，一般要求高于 12 mPa/s，因此噴墨法的局限性還包括噴頭易堵塞，而且液滴形狀較難控制等[5]。
噴墨法打印的優點是可以使用交聯劑溶液作為支撐。近年來，噴墨法在打印血管狀結構這一研究方向得到了較快的發展。2015 年，Christensen 等[6]利用噴墨法的這一特點，打印出了具備水平和垂直方向的血管結構。在這一打印過程中，他們使用了生物相容性較高的海藻酸鈉，采用纖維組織母細胞—海藻酸鈉打印墨水，使打印過程具備了極高的細胞存活率。
1.2 擠出沉積法
擠出沉積法將噴頭固定在三軸電控移動平臺上，通過加載壓力可將打印材料從噴頭擠出，并通過開關閥控制噴頭的通斷[7]。其打印材料可由懸浮細胞與細胞外基質模擬材料（如瓊脂、水凝膠等材料）混合產生。打印材料擠出到底板后，通過交聯作用（crosslink）形成疊加，實現 3D 細胞結構搭建[8]。類似的做法也有用多噴頭的擠出法[9]，按照一層熱敏材料一層細胞的排序逐層打印，之后通過控制溫度使熱敏材料降解并只留下細胞，形成 3D 細胞結構。擠出沉積法需要滿足以下幾個條件：① 打印材料在沉積后能盡量維持形狀并原位交聯；② 材料與打印過程對細胞狀態應當不產生影響或僅僅產生極小影響；③ 成型后支架材料的降解性質可控[10]。
這一方法的特點是技術方法門檻低，平臺架設所需時間短。其打印精度以及可行性主要取決于打印材料。一方面，由于打印材料在擠出、下落過程中有著變形問題，局限了最終成型的精度，使得其打印精度在數百微米級別。另一方面，這一方法使用的噴頭極易堵塞，影響加工效率。目前對這一方法的研究重點是在打印材料的生物相容性與可打印性之間找到平衡點。為了進一步提高擠出沉積法的可打印性和結構穩定性，Markstedt 等[11]于 2015 年制備了纖維素微纖絲以及海藻酸鈉的復合打印墨水。同時，打印后的結構還可以在鈣離子溶液中進一步固化。這一打印技術已實現軟骨細胞打印，并已被證實可以用來打印網格狀結構以及耳狀結構。
1.3 光固化成型法
光固化成型法基于液態光敏材料的光聚合原理，利用激光或投影光將液態光敏材料轉變為固體。這一方法往往從底層開始固化，完成一層的固化后，成型平臺豎直移動，由于光聚焦平面未變，因此可將另一層固化，直至每一層成型并最終得到 3D 結構[12]。材料的光聚合原理是這一打印方法的基礎，要求打印材料必須同時具備生物相容性以及光敏特性。大多數光敏樹脂由于制備過程存在毒性以及不具備生物相容性，無法直接使用在這一場合。因此，生物光固化成型技術一般使用改造后具備光敏特性的水凝膠作為打印材料[12]。此外，細胞在打印過程中需要避免長時間高溫照射，而一定強度的紫外光在固化材料的同時可以滿足這一條件[13]。紫外光的照射通過數字光處理技術（digital light precessing，DLP）具備了圖形化的功能，從而直接將細胞以及打印材料加工成型。最新的 DLP 技術的打印過程包括如下環節：首先，將含有光引發劑/光催化劑的高分子水溶液與細胞懸浮液混合，再通過 DLP 技術對每一層進行不同圖樣的“投影”，可以對每層的結構進行精確修飾；通過豎直方向的移動，最終加工出每一層的結構并累加形成 3D 結構。由于每一層圖樣的精度主要取決于投影光的精度，因此相比擠出法，光固化生物 3D 打印技術具備了更高的精度[14]。
最近發表的文章表明，光固化成型技術可以利用商用投影儀，從而使其成本大大降低。Wang 等[15]在 2015 年底發表的文章使用了商用投影儀，使整個系統的成本降低到 500 美元以內，并且具備了 50 μm 打印精度以及 85% 以上的細胞生存率。
1.4 激光輔助生物打印
激光輔助生物打印方法是基于激光聚焦脈沖的原理工作的。標準的激光輔助打印系統包括脈沖激光器，負責吸收激光能量的吸收層（通常是玻璃層，同時覆蓋金或鉑層），生物樣品層（如細胞或混合水凝膠，在液體環境中制備）以及最下層的接收基底[16]。其工作過程是利用激光脈沖在吸收層上產生液泡，將細胞以及支架材料推到接收基底。激光輔助生物打印的分辨率受到許多因素的影響，如激光能量密度（每個單元輸出的能量）、表面密度、基底濕度、基底和吸收層氣隙以及生物樣品層的厚度和黏度等[17]。其方法適合多種生物樣品黏度（1～300 mPa/s），可以在不影響細胞活性和功能的情況下對哺乳動物細胞進行打印。
激光輔助法可以將高密度的細胞進行沉積（密度可達約 108 個/mL），并實現對每個細胞的精確控制，其控制激光的頻率可以達到 5 kHz 以上[18]。激光輔助法的特點是由于激光并不直接接觸細胞，因此對細胞的傷害較小（存活率可達 95% 以上）。其精度大約可以達到 30～100 μm，同時不存在噴口堵塞的問題。但是其存在打印速度較慢，以及打印材料制備較為復雜、成本高昂等局限。如表 1 所示，列舉了上述4種方法的精度以及相應的優缺點對比。
表1
四種生物 3D 打印的優缺點對比
Table1.
Comparison of four types of 3D bio-printing
2 生物細胞 3D 打印材料
材料的黏度、成型方式很大程度上影響了上述打印方法的適用范圍。隨著生物材料的多樣性和適用范圍逐步提高，用于 3D 打印的生物材料需要經過一系列科學的選擇和設計[19]。材料必須具備合適的交聯機制來完成所需結構體成型，而且打印材料必須具備穩定的生物相容性和合適的力學性能。其中，力學性能需要保證諸如孔隙率、內部通道以及網絡等重要結構不易破壞。同時，材料還需具備可靠的生物相容性，有利于促進細胞生長形成具有一定功能的組織。因此，對生物打印材料的選擇，必須要考慮可打印性、生物相容性、可降解性、產生的副作用、材料結構、機械性質以及材料仿生性能等較多方面。
2.1 打印材料種類
細胞活性以及生存率是在細胞與生物材料混合并成型中面臨的主要問題。生物 3D 打印材料經歷了非生物相容性材料到生物相容性材料、非降解型材料到降解型材料的發展過程。目前，生物 3D 打印所用材料主要可以分為天然聚合物（natu-rally derived polymer）和人工合成高分子（synthetic molecules）兩種來源[20]。其中，天然聚合物是指來源于動物或人體組織的聚合物，如海藻酸鹽水凝膠（alginate），基質膠（matrigel），膠原（collagen），殼聚糖（chitosan）以及纖維蛋白等[21]。人工合成高分子則是指利用化學手段合成的高分子聚合物，譬如聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）或丙烯酰胺水凝膠等[22]。天然聚合物的優點在于其化學特性更接近人體的細胞外基質特性，天生具有較高的生物相容性。而合成材料優點則在于其物理性質更容易調整以適用于不同的應用場合，但這些合成材料的缺點主要是相對較差的生物相容性以及有一定的細胞毒性，同時降解性能較差且在降解過程中機械性能會受到損失。即便如此，合成材料由于其物理性質在合成過程中可以得到很好地控制而被廣泛地使用[23]。
在以上這些打印材料中，水凝膠是最常用的材料之一，包括天然的海藻酸鹽水凝膠以及人工合成的聚乙二醇、丙烯酰胺等。水凝膠是一種聚合的網絡結構，可以吸收、保存大量的水，具有生物相容性、生物可降解性[24]，因此被廣泛用在生物 3D 打印中[25]。水凝膠具有利于細胞增殖、細胞間的黏合擴展及形成一定器官構型的特點，是作為細胞外基質的優秀材料[26]。作為打印材料，水凝膠與細胞混合液的機械性能需要經過調控，以達到同時滿足打印分辨率及維持細胞活性的要求。此外，水凝膠在成型后要尋求合適的方法進行交聯以維持打印結構的形貌[27]。以海藻酸鹽水凝膠為例，在擠出沉積法打印中，將一定比例的海藻酸鈉鹽溶于水后與細胞懸浮液混合，置于打印針管內。之后，在壓力或者重力作用下，海藻酸鈉鹽溶液會從針孔流出。通過對針孔通斷以及針孔位置的控制，即可以控制海藻酸鈉鹽流出的精確位置以及其用量。在外部提供交聯劑（如鈣離子溶液），即可依靠海藻酸鈉鹽的交聯固化過程，實現對細胞位置的固定并完成細胞打印。聚乙二醇以及丙烯酰胺則是與光引發劑溶于去離子水后，通過紫外照射完成固化，因此經常被用于光固化成型法中。
2.2 打印材料選擇
生物細胞 3D 打印的材料選擇應當重點考慮以下幾方面性能[28]：① 可打印性，指材料本身的可處理性以及沉積性能，這些性能受到材料本身的黏度、凝膠作用以及流變特性等性質影響。② 生物相容性，即材料應該不包含或少包含有毒性的小分子或會引起不良反應的成分。③ 降解速率和副作用，其中降解速度可以配合細胞本身產生細胞外基質的形成速度，同時降解過程中應當避免有毒副作用的產生。④ 材料結構與性能，即所選材料本身的力學性能應當符合所需的環境。⑤ 材料仿生性能，材料應當能模擬并滿足所需組織的靜態以及動態力學性能。
如表 2 所示，列舉了常用的幾種打印材料的材料特性。此外，在實際使用中，不一定只選用單獨一種打印材料，也可以選用兩種以上材料通過產生多網絡交聯形成具有不同特性的材料以達到更廣的適用范圍。
表2
幾種常用打印材料特性
Table2.
Characteristics of several materials for bio-printing
3 發展趨勢
本文介紹了近年來主要的生物細胞 3D 打印技術方法和材料，重點闡述了噴墨法、擠出沉積法、光固化成型法以及激光輔助法的原理以及工作過程，并比較了各自的優勢和局限性。目前，打印過程仍需要解決速度、精度、存活率與細胞活性等問題，而打印材料的選擇以及成型仍有較大發展空間，包括進一步提高生物相容性、降解性能、力學性質以及成型過程的可控性等。具體來說，就是要提高材料的生物相容性和打印過程的結構可塑性，并且要進一步研究打印后的組織器官隨著時間變化而產生的結構、力學性能變化。可以預計，今后生物細胞 3D 打印技術的發展一方面將著眼于打印材料從單一材料向著多種材料復合的方向發展，而另一方面打印技術正從實驗室離體打印向著原位打印發展。另外，在基礎研究上，生物細胞 3D 打印的發展還需要進一步闡明細胞與打印材料互相作用機制。
引言
三維（three dimension，3D）打印技術是利用光、熱等外界輸入，并配合打印材料的特性，將打印材料逐步固化、堆積成型，實現 3D 復雜結構的制造。目前 3D 打印技術不僅成為了工業制造領域的新型制造技術，同時為生物醫學領域帶來了新的研究思路與解決方案[1]。生物 3D 打印技術在醫學模型制造、活體細胞 3D 培養、藥物測試開發等領域已經取得了一系列的研究成果，更有望為組織器官再生、臨床修復治療、器官移植等醫學應用方向帶來全新的方法突破。
與普通 3D 打印技術不同的是，生物細胞 3D 打印與細胞的功能和存活率密切相關。具體來說，相比普通 3D 打印技術，生物細胞 3D 打印包含了更多的復雜性，如需要了解打印過程對細胞活性、功能的影響，并研究打印方法對細胞溶液濃度、黏度的要求，以及掌握生物打印材料的設計。因此，生物細胞 3D 打印有著特殊的技術要求與設計思路。本綜述著重調研了生物 3D 打印的打印方法和材料，對目前主流的打印方法進行了總結，并從打印方法和材料種類的選擇進行了分析，為生物 3D 打印平臺搭建以及相關領域的研究提供參考。
1 生物 3D 打印方法
生物細胞 3D 打印技術利用醫學成像技術如電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）以及 3D 建模軟件建立數字模型。細胞和生物材料依據該數字模型完成精確堆積，并最終形成形狀復雜的 3D 細胞結構[2]。這一技術的目的是在確保細胞的存活以及功能的前提下，形成具備生理功能的類細胞外基質的微結構或細胞結構。下面我們著重介紹近幾年發展起來的生物 3D 打印方法，包括噴墨（inkjet）、擠出沉積（extrusion）、光固化成型（stereolithography）、激光輔助（laser-assisted）等方法[3]，并對常用的生物 3D 打印材料進行總結，為進一步推動這一技術進入生產實用進行原理性分析并奠定理論基礎。
1.1 噴墨法
噴墨法也可被稱作微滴法（drop-by-drop），通過噴出微滴形成 2D 細胞圖案，層層疊加并最終形成 3D 細胞結構。該方法將可容納細胞和生物材料的生物打印墨盒安裝在三軸電控移動平臺上，通過電控平臺對微滴實現位移控制，完成 3D 結構制造[4]。這一方法打印成本低、平臺建設簡便。其微滴的形成主要依靠熱或者聲波使材料滴落。其局限性體現在每一個微滴在到達位置后必須快速聚合，以便下一個液滴可以繼續固定。這種快速凝膠的要求限制了可用材料的種類。同時，該方法使得細胞在打印過程中會受到熱或者力的影響，一定程度上會對細胞的活性以及功能產生干擾。此外，噴墨法要求打印材料的黏度不能過低，一般要求高于 12 mPa/s，因此噴墨法的局限性還包括噴頭易堵塞，而且液滴形狀較難控制等[5]。
噴墨法打印的優點是可以使用交聯劑溶液作為支撐。近年來，噴墨法在打印血管狀結構這一研究方向得到了較快的發展。2015 年，Christensen 等[6]利用噴墨法的這一特點，打印出了具備水平和垂直方向的血管結構。在這一打印過程中，他們使用了生物相容性較高的海藻酸鈉，采用纖維組織母細胞—海藻酸鈉打印墨水，使打印過程具備了極高的細胞存活率。
1.2 擠出沉積法
擠出沉積法將噴頭固定在三軸電控移動平臺上，通過加載壓力可將打印材料從噴頭擠出，并通過開關閥控制噴頭的通斷[7]。其打印材料可由懸浮細胞與細胞外基質模擬材料（如瓊脂、水凝膠等材料）混合產生。打印材料擠出到底板后，通過交聯作用（crosslink）形成疊加，實現 3D 細胞結構搭建[8]。類似的做法也有用多噴頭的擠出法[9]，按照一層熱敏材料一層細胞的排序逐層打印，之后通過控制溫度使熱敏材料降解并只留下細胞，形成 3D 細胞結構。擠出沉積法需要滿足以下幾個條件：① 打印材料在沉積后能盡量維持形狀并原位交聯；② 材料與打印過程對細胞狀態應當不產生影響或僅僅產生極小影響；③ 成型后支架材料的降解性質可控[10]。
這一方法的特點是技術方法門檻低，平臺架設所需時間短。其打印精度以及可行性主要取決于打印材料。一方面，由于打印材料在擠出、下落過程中有著變形問題，局限了最終成型的精度，使得其打印精度在數百微米級別。另一方面，這一方法使用的噴頭極易堵塞，影響加工效率。目前對這一方法的研究重點是在打印材料的生物相容性與可打印性之間找到平衡點。為了進一步提高擠出沉積法的可打印性和結構穩定性，Markstedt 等[11]于 2015 年制備了纖維素微纖絲以及海藻酸鈉的復合打印墨水。同時，打印后的結構還可以在鈣離子溶液中進一步固化。這一打印技術已實現軟骨細胞打印，并已被證實可以用來打印網格狀結構以及耳狀結構。
1.3 光固化成型法
光固化成型法基于液態光敏材料的光聚合原理，利用激光或投影光將液態光敏材料轉變為固體。這一方法往往從底層開始固化，完成一層的固化后，成型平臺豎直移動，由于光聚焦平面未變，因此可將另一層固化，直至每一層成型并最終得到 3D 結構[12]。材料的光聚合原理是這一打印方法的基礎，要求打印材料必須同時具備生物相容性以及光敏特性。大多數光敏樹脂由于制備過程存在毒性以及不具備生物相容性，無法直接使用在這一場合。因此，生物光固化成型技術一般使用改造后具備光敏特性的水凝膠作為打印材料[12]。此外，細胞在打印過程中需要避免長時間高溫照射，而一定強度的紫外光在固化材料的同時可以滿足這一條件[13]。紫外光的照射通過數字光處理技術（digital light precessing，DLP）具備了圖形化的功能，從而直接將細胞以及打印材料加工成型。最新的 DLP 技術的打印過程包括如下環節：首先，將含有光引發劑/光催化劑的高分子水溶液與細胞懸浮液混合，再通過 DLP 技術對每一層進行不同圖樣的“投影”，可以對每層的結構進行精確修飾；通過豎直方向的移動，最終加工出每一層的結構并累加形成 3D 結構。由于每一層圖樣的精度主要取決于投影光的精度，因此相比擠出法，光固化生物 3D 打印技術具備了更高的精度[14]。
最近發表的文章表明，光固化成型技術可以利用商用投影儀，從而使其成本大大降低。Wang 等[15]在 2015 年底發表的文章使用了商用投影儀，使整個系統的成本降低到 500 美元以內，并且具備了 50 μm 打印精度以及 85% 以上的細胞生存率。
1.4 激光輔助生物打印
激光輔助生物打印方法是基于激光聚焦脈沖的原理工作的。標準的激光輔助打印系統包括脈沖激光器，負責吸收激光能量的吸收層（通常是玻璃層，同時覆蓋金或鉑層），生物樣品層（如細胞或混合水凝膠，在液體環境中制備）以及最下層的接收基底[16]。其工作過程是利用激光脈沖在吸收層上產生液泡，將細胞以及支架材料推到接收基底。激光輔助生物打印的分辨率受到許多因素的影響，如激光能量密度（每個單元輸出的能量）、表面密度、基底濕度、基底和吸收層氣隙以及生物樣品層的厚度和黏度等[17]。其方法適合多種生物樣品黏度（1～300 mPa/s），可以在不影響細胞活性和功能的情況下對哺乳動物細胞進行打印。
激光輔助法可以將高密度的細胞進行沉積（密度可達約 108 個/mL），并實現對每個細胞的精確控制，其控制激光的頻率可以達到 5 kHz 以上[18]。激光輔助法的特點是由于激光并不直接接觸細胞，因此對細胞的傷害較小（存活率可達 95% 以上）。其精度大約可以達到 30～100 μm，同時不存在噴口堵塞的問題。但是其存在打印速度較慢，以及打印材料制備較為復雜、成本高昂等局限。如表 1 所示，列舉了上述4種方法的精度以及相應的優缺點對比。
表1
四種生物 3D 打印的優缺點對比
Table1.
Comparison of four types of 3D bio-printing
2 生物細胞 3D 打印材料
材料的黏度、成型方式很大程度上影響了上述打印方法的適用范圍。隨著生物材料的多樣性和適用范圍逐步提高，用于 3D 打印的生物材料需要經過一系列科學的選擇和設計[19]。材料必須具備合適的交聯機制來完成所需結構體成型，而且打印材料必須具備穩定的生物相容性和合適的力學性能。其中，力學性能需要保證諸如孔隙率、內部通道以及網絡等重要結構不易破壞。同時，材料還需具備可靠的生物相容性，有利于促進細胞生長形成具有一定功能的組織。因此，對生物打印材料的選擇，必須要考慮可打印性、生物相容性、可降解性、產生的副作用、材料結構、機械性質以及材料仿生性能等較多方面。
2.1 打印材料種類
細胞活性以及生存率是在細胞與生物材料混合并成型中面臨的主要問題。生物 3D 打印材料經歷了非生物相容性材料到生物相容性材料、非降解型材料到降解型材料的發展過程。目前，生物 3D 打印所用材料主要可以分為天然聚合物（natu-rally derived polymer）和人工合成高分子（synthetic molecules）兩種來源[20]。其中，天然聚合物是指來源于動物或人體組織的聚合物，如海藻酸鹽水凝膠（alginate），基質膠（matrigel），膠原（collagen），殼聚糖（chitosan）以及纖維蛋白等[21]。人工合成高分子則是指利用化學手段合成的高分子聚合物，譬如聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）或丙烯酰胺水凝膠等[22]。天然聚合物的優點在于其化學特性更接近人體的細胞外基質特性，天生具有較高的生物相容性。而合成材料優點則在于其物理性質更容易調整以適用于不同的應用場合，但這些合成材料的缺點主要是相對較差的生物相容性以及有一定的細胞毒性，同時降解性能較差且在降解過程中機械性能會受到損失。即便如此，合成材料由于其物理性質在合成過程中可以得到很好地控制而被廣泛地使用[23]。
在以上這些打印材料中，水凝膠是最常用的材料之一，包括天然的海藻酸鹽水凝膠以及人工合成的聚乙二醇、丙烯酰胺等。水凝膠是一種聚合的網絡結構，可以吸收、保存大量的水，具有生物相容性、生物可降解性[24]，因此被廣泛用在生物 3D 打印中[25]。水凝膠具有利于細胞增殖、細胞間的黏合擴展及形成一定器官構型的特點，是作為細胞外基質的優秀材料[26]。作為打印材料，水凝膠與細胞混合液的機械性能需要經過調控，以達到同時滿足打印分辨率及維持細胞活性的要求。此外，水凝膠在成型后要尋求合適的方法進行交聯以維持打印結構的形貌[27]。以海藻酸鹽水凝膠為例，在擠出沉積法打印中，將一定比例的海藻酸鈉鹽溶于水后與細胞懸浮液混合，置于打印針管內。之后，在壓力或者重力作用下，海藻酸鈉鹽溶液會從針孔流出。通過對針孔通斷以及針孔位置的控制，即可以控制海藻酸鈉鹽流出的精確位置以及其用量。在外部提供交聯劑（如鈣離子溶液），即可依靠海藻酸鈉鹽的交聯固化過程，實現對細胞位置的固定并完成細胞打印。聚乙二醇以及丙烯酰胺則是與光引發劑溶于去離子水后，通過紫外照射完成固化，因此經常被用于光固化成型法中。
2.2 打印材料選擇
生物細胞 3D 打印的材料選擇應當重點考慮以下幾方面性能[28]：① 可打印性，指材料本身的可處理性以及沉積性能，這些性能受到材料本身的黏度、凝膠作用以及流變特性等性質影響。② 生物相容性，即材料應該不包含或少包含有毒性的小分子或會引起不良反應的成分。③ 降解速率和副作用，其中降解速度可以配合細胞本身產生細胞外基質的形成速度，同時降解過程中應當避免有毒副作用的產生。④ 材料結構與性能，即所選材料本身的力學性能應當符合所需的環境。⑤ 材料仿生性能，材料應當能模擬并滿足所需組織的靜態以及動態力學性能。
如表 2 所示，列舉了常用的幾種打印材料的材料特性。此外，在實際使用中，不一定只選用單獨一種打印材料，也可以選用兩種以上材料通過產生多網絡交聯形成具有不同特性的材料以達到更廣的適用范圍。
表2
幾種常用打印材料特性
Table2.
Characteristics of several materials for bio-printing
3 發展趨勢
本文介紹了近年來主要的生物細胞 3D 打印技術方法和材料，重點闡述了噴墨法、擠出沉積法、光固化成型法以及激光輔助法的原理以及工作過程，并比較了各自的優勢和局限性。目前，打印過程仍需要解決速度、精度、存活率與細胞活性等問題，而打印材料的選擇以及成型仍有較大發展空間，包括進一步提高生物相容性、降解性能、力學性質以及成型過程的可控性等。具體來說，就是要提高材料的生物相容性和打印過程的結構可塑性，并且要進一步研究打印后的組織器官隨著時間變化而產生的結構、力學性能變化。可以預計，今后生物細胞 3D 打印技術的發展一方面將著眼于打印材料從單一材料向著多種材料復合的方向發展，而另一方面打印技術正從實驗室離體打印向著原位打印發展。另外，在基礎研究上，生物細胞 3D 打印的發展還需要進一步闡明細胞與打印材料互相作用機制。
