生物打印,又称细胞打印或器官打印,是组织工程领域应用比较广泛的一种新技术。其基本原理是将细胞混合生物材料制成生物墨水,作为打印的原材料,根据器官模型数据,利用三维打印技术定向控制细胞沉积,层层累积制造成接近于真实器官结构的活性组织器官模型。相比于传统的基于支架的组织工程方法,生物打印具有可以制造出复杂组织结构、沉积不同类型细胞、构造细胞梯度环境等优点。由于打印后的结构需要在体外培养,意味着凝胶结构内的细胞必须要能被充分灌注,以满足生长因子、氧气以及其他营养物质的供应。因此,在打印成型的组织结构内构造用于输送营养的流道网络是关键步骤,也是生物打印能否被深入应用的一个挑战。本文基于海藻酸钠凝胶的交联特性,利用生物打印方法中的挤出成型工艺,提出了凝胶基流道网络的制造方法,并将其应用于跨尺度血管结构的制造。本文的主要研究内容和成果包括:(1)基于海藻酸钠和氯化钙“反向滴加法”的交联方式,设计了可装配的同轴喷头,让氯化钙在海藻酸钠的内部与之交联,利用同轴挤出工艺一次成型出中空凝胶纤维。首先根据该方法的工艺流程搭建了同轴喷头辅助的凝胶管道打印装置;然后系统地研究了打印过程参数对凝胶管道尺寸的影响规律;并利用小分子染料、绿色荧光蛋白、牛血清蛋白对凝胶管道进行了渗透性实验,结果表明凝胶管具有渗透性,有潜力应用于营养输送;最后直接打印小鼠成纤维细胞,细胞在凝胶管道中呈三维球形生长。(2)基于海藻酸钠和氯化钙渐进交联的反应特性,提出了组织/营养通道同步构造的生物打印新工艺。该方法通过控制海藻酸钠和氯化钙的交联时序让相邻的中空凝胶纤维融合,实现凝胶支架结构和内部流道网络的同时成型。搭建了基于该方法的新型生物打印系统,通过大量的工艺实验,解决了凝胶融合工艺,证明了融合后的凝胶结构强度满足器官打印的要求,后续的细胞培养显示打印的营养通道能有效提高细胞的长期存活率。由于该方法能在打印组织结构的同时打印出内部的营养输送通道,使得大尺寸器官3D打印成为可能。本方法还可直接应用于器官芯片、凝胶基微流控芯片、药物筛选芯片等领域。(3)常规血管由成纤维、平滑肌、内皮细胞依次构成,同时血管内部还包含有微细的滋养血管用于营养输送。为了对血管结构进行仿生,提出了一种具有宏微跨尺度流道的血管结构及其制造方法,其中宏观流道可用于机械加载,微观流道可用于营养输送和化学加载,这种结构可以集成到器官芯片装置上,来更好的模拟真实血管的微环境。利用上述组织/营养通道同步构造的生物打印工艺,将未完全反应的中空凝胶纤维绕一个回转体模板进行打印,去除模板后,中空凝胶纤维内部的微管道及模板的宏管道构成带有宏微二级尺度的血管结构。将平滑肌细胞和成纤维细胞逐层打印,并将内皮细胞种植在所打印的血管内壁上即可获得跨尺度血管结构。本方法证明了制造出的血管结构能够满足后续机械加载的要求,血管结构内的细胞在培养一周后的活性超过90%。另外,为了演示其在组织工程领域的潜在应用,我们利用这种血管结构制造了血管循环流动模型、动脉手术模拟器以及细胞共培养模型。(4)上述方法制造出的跨尺度血管主要用于心血管疾病的致病机理的体外研究,由于采用的是水凝胶材料,强度无法满足动物实验的长期灌注要求。为此,我们把支架制造和生物打印结合起来,提出了一种跨尺度细胞支架的制造方法。首先基于FDM的打印工艺制造出了微米尺度的支架,既保证了整个结构的外形,又提供了强度支撑;然后利用静电纺丝技术制造出了纳米尺度的支架,营造了适合细胞生长的纳米环境;接着利用生物打印技术可控定向沉积细胞,既营造了细胞的三维培养环境,同时利用海藻酸钠/明胶二次交联的方法层层组装支架形成三维结构。细胞培养实验表明,细胞在跨尺度支架内的三维培养,增殖能力较强,且形态逐渐从球形转变成伸展状态。最后利用该方法制造出了高强度的分支血管结构,有潜力用于动物实验。