该文章的作者是南极熊网友：中国生物3D打印机开发者刘博士。刘博士将从组织工程、生物制造、几种关键技术、生物3D打印输送系统等部分介绍。由于文章内容很充实，南极熊将以连载的形式给大家介绍。今天先来看目前常见的各种生物制造技术。
生物3D打印技术深入解读的文章已经连载到了第三天了，今天我们将对生物3D打印材料输送系统进行介绍。
生物3D打印材料输送系统
材料输送系统是生物三维打印中的关键技术之一，在三维打印工艺中材料必须被离散为离散的点单元或连续线单元，并将装配单元堆积起来，因此，材料输送系统总体上可以分为两类：即离散喷射喷头和连续喷射喷头。采用离散打印和连续打印构建三维结构如图所示。
离散打印和连续打印构建三维结构 生物打印喷头设计
离散打印喷头设计目前已经出现了多种采用离散点单元的生物材料打印喷头，目前这些技术主要用于构建二维的平面模型，构建三维结构仍然面临较大困难。根据喷头的原理不同，可以分为以下几种： ü 生物喷墨打印喷头 ü 激光生物打印喷头 ü 微阀驱动打印喷头 ü 声波驱动打印喷头
（1） 生物喷墨打印喷头
生物喷墨打印是利用商用的喷墨打印机改造而来，而商用的喷墨打印机又分为热喷墨打印（thermal inkjet）和压电喷墨打印（piezoelectricinkjet），其中热喷墨喷头是在喷嘴处加热，墨滴温度升高后会形成气泡，在气泡驱使下液滴被打印出来；而压电喷墨则是通过安装在喷嘴处的压电晶体的变形与收缩来驱使液滴的产生和打印。 热喷墨喷头（上）和压电喷墨喷头（下）原理 最早Xu T等人改造了惠普HP 550C打印机和HP 51626a型打印墨盒，将含有中国仓鼠卵巢细胞和鼠胚胎运动神经元细胞的磷酸盐缓冲溶液当做墨滴，打印在胶原和琼胶水凝胶基底上，结果显示溶解的细胞低于10%。迄今为止，研究人员已经对喷墨打印在蛋白、生物大分子、生长因子和细胞等方面的应用进行了大量的研究，未来在基于细胞的生物传感器及组织工程方面具有广阔的前景。 喷墨打印的问题在于可以打印的材料粘度低，一般不高于30mPa.s，因此无法打印粘度较高的水凝胶材料，在组织工程中的应用受到局限。为了解决这个问题，Boland T等人用喷墨打印机打印CaCl2溶液，打印机的下部为含有海藻酸钠的成形室，海藻酸钠在Ca2+的作用下发生交联，通过升降的成形平台层层打印交联剂即可获得三维的海藻酸纳支架。工艺的原理和被打印的三维结构如图所示。 三维喷墨打印及其打印的海藻酸钠支架
基于压电晶体的微滴喷射喷头也是实现喷墨打印的非常重要的方式，下图显示了几种基于压电喷射的喷头结构图，利用压电晶体在电压波形作用下的轴向或径向变形来驱动液滴的产生，电压波形的幅值和频率是关键的控制参数，此外液体本身的粘度特性对液滴的产生也有重要影响。
压电晶体径向变形驱动玻璃管产生微滴
压电晶体轴向变形驱动薄膜变形产生微滴 压电晶体径向变形驱动环氧树脂管产生微滴 压电晶体薄片振动变形驱动微滴产生 （1） 激光生物打印喷头
激光生物打印是基于激光诱导向前转移技术（laser-inducedforward transfer，LIFT）的打印方法，其原理如下图如所示。入射的脉冲激光经聚焦后照射在材料薄层和透明基片间的界面上，当脉冲激光输出时，能量被吸收，此时材料层的材料微滴就会被打印至接收基底上，形成打印像素点。这项技术最早是在1971年由A.D. Brisbane提出，目前已经用于打印DNA、蛋白以及其他生物大分子的二维阵列。 LIFT技术原理图
J.A.Barron等人在LIFT技术基础上增加了中间吸收层以吸收入射的激光能量以减小激光对被打印对象的危害，从而可以用于打印活细胞，如图。 激光生物打印技术
采用激光生物打印喷头打印的主要以二维结构为主，构建具有复杂三维结构仍然有较大困难。 （1） 微阀驱动打印喷头 图7是利用电磁微阀作为驱动元件进行离散打印的喷头结构，其核心部件是驱动阀芯运动的电磁线圈、复位弹簧和阀芯，当线圈得电时，阀芯向下运动打开材料入口，此时材料在气体压力作用下从喷嘴处喷射；当线圈失电时，在复位弹簧作用下阀芯向上运动，材料入口被关闭，从而关闭喷头。通过控制施加在线圈上的脉冲信号即可控制喷头的开关，从而获得离散打印微滴。除了气体压力源外，也可采用注射泵作为压力源，如图7（右）所示。基于微阀控制的方式，Alan Faulkner-Jones等人开发了细胞打印机，并用于人体胚胎干细胞打印，并首次实现了胚胎干细胞的打印。其所开发的细胞打印装置如图8所示。 图7 电磁阀驱动打印喷头，气体压力源（左）和注射泵压力源（右） 图8 基于电磁微阀打印的细胞打印装置
（4） 声波驱动打印喷头
图9为声波驱动打印喷头的结构示意图，圆环交指型换能器阵列式地分布在压电型的基底上，圆环交指型换能器可以产生表面声波，声波传播进入压电基底上的流体，并可在传播的前端某处发生声波聚焦，当声波刚好聚焦在流体表面，产生的声波力足以克服流体的表面张力时，就会形成材料微滴单元。 图9 声波驱动打印喷头 前面综述了几种离散微滴打印的喷头设计方法，总体来讲，微滴打印在生物方面的应用主要集中在液滴的二维阵列打印用以制造生物芯片、生物传感器和材料表面的微阵列化等，在组织工程方面的应用有限。 （1） 离散单元的连续打印 前面所述的方式打印的材料微滴一般体积为pL（10-12L）~nL（10-9L），当用直径达到数百微米（300~500μm）的组织微球作为打印单元时，便可用于构建三维的工程化组织。 OrganOVO公司提出了一种利用多细胞组织微球作为组装单元进行器官打印的方法。在该工艺中，包括两种材料，一种是用做支撑结构的支撑材料，往往采用水凝胶，在结构成形完毕后，支撑材料被去除；另外一种为多细胞组织微球，是结构构建的关键单元。打印后的组织微球经体外培养后发生融合，从而形成细胞三维结构，如图10所示。最初，该工艺用于制造血管，其过程如图11所示。该过程需使用两个喷头，一个喷头喷射琼脂糖水凝胶，作为支撑单元，用连续线单元喷头进行喷射；另一个喷头喷射多细胞组织微球，微球包裹在水凝胶材料中，如图10c和d所示，用连续打印的方式进行喷射。
因此，尽管其构建三维结构的基本单元为离散单元，但对喷头而言，仍然属于连续打印，这也是该工艺的特别之处。 图10 离散化组织微球打印示意图 图11 基于组织微球打印的血管制造过程
连续打印喷头设计采用连续打印的方式更有利于构建三维结构，尤其是大尺寸的三维结构，线单元具有较高的成形效率、可以自支撑，因此很多生物三维打印技术是基于连续喷射方式。 （1） 螺杆挤压喷头 螺杆挤压是塑料熔体注塑加工工艺中常用的方法，一般将热塑性聚合物加热至熔融状态，在旋转螺杆的作用下将熔体以一定的压力和速度注入模具，从而生产复杂的注塑零件。 用作生物三维打印时，生物材料一般可配置成为溶液态，在室温状态下用螺杆挤压方式进行喷射，也可将生物材料加热熔融，但高温会使生物材料的分子结构发生变化，从而影响生物材料的性能，因此一般不适宜用加热熔融的方式。本章后面对用螺杆挤压方式喷射PLGA溶液有详细的论述。 （2） 气动喷射喷头
气动挤压喷头是利用气体压力进行材料喷射的方法，为实现材料的精确微喷射，气体压力的控制精度是一个关键参数，刘丰采用高精度气动比例阀为控制核心实现了生物材料的气体微输送系统，其设计如图12所示，实验中所应用的喷头如图13所示。此外，Envision Tech公司开发的3DBioplotterTM也采用气动喷射方式。 图12 气动喷头系统图 图13 刘丰设计的气动喷射喷头
（3） 注射器挤出喷头 注射器挤出喷头是利用步进电机推动注射器的注射杆，在注射杆作用下将材料挤出，利用电机的启停即可控制材料喷射的启停，如图14所示。这种喷头是一种简单可靠的材料喷射方法，在生物三维打印中也有广泛的应用，尤其是对于含有细胞的三维打印工艺，由于注射器无菌，即可省去灭菌这一步骤，简化了操作；此外，一次性注射器成本低，可以即用即换，无需清洗。 图14 注射器挤出喷头示意图
小结
前面用了大量的篇幅交代了组织工程、生物制造和生物3D打印，事实上人体结构之复杂远超目前制造手段之所及，文中也重点提到了人体结构的复杂之处，生物3D打印比起传统的诸多制造方法有其独特的技术优势，但总体来讲，真正的生物3D打印产品要走进临床应用仍然有很长的一段路走。至于像心脏、肝脏、肾脏等复杂的人体器官，笔者并不认为仅仅依靠3D打印技术就能够解决人工器官制造的问题，生物3D打印技术未来任重而道远。
生物3D打印技术深入解读之一http://www.nanjixiong.com/thread-43724-1-1.html
生物3D打印技术深入解读之二http://www.nanjixiong.com/thread-43797-1-1.html
生物3D打印技术深入解读之三http://www.nanjixiong.com/thread-43870-1-1.html | 
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