4D 生物打印智能生物墨水需要具备哪些关键特性？

1. 可打印性 (Printability)

MEB：生物墨水需要具有良好的流变学特性，例如高粘度、剪切稀化行为和触变性。打印参数（如喷嘴直径、打印速度和层厚）会影响打印性能。

喷墨打印：生物墨水需要具有良好的物理参数，例如粘度、密度和表面张力，以形成稳定的液滴。

SLA 和 DLP：生物墨水需要具有合适的粘度，以便在打印过程中流动并重新涂覆结构。

所需参数：需要优化打印参数，例如光强、扫描速度和曝光时间，以获得精确的 3D 结构和良好的形状保真度。

2. 生物相容性和生物活性 (Biocompatibility and bioactivity)

生物墨水需要与宿主共存，不产生副作用或毒性。

需要支持体外和体内构建物的发育，例如细胞生长、保持高细胞活力、促进分子和机械信号的传递，以及与内源性组织和免疫系统积极相互作用。

3. 刺激响应性 (Stimuli-responsiveness)

生物墨水需要能够响应多种生理信号，例如湿度、温度、pH、离子、磁场和光。

需要能够在受扰情况下保持形状保真度和功能稳定性。

对于需要可逆形状变换的应用，例如模拟天然组织的规律性收缩，需要具有稳健的形状记忆行为，并确保在循环次数增加时性能下降最小。

4. 生物降解性 (Biodegradability)

生物墨水需要具有生物降解性，以在体内构建物成熟过程中逐渐降解。

需要控制降解速率，以匹配新生组织的生长速率，并确保降解产物对宿主无害，能够通过细胞代谢或泌尿系统排出体外。

对于需要可编程多步骤形状变换的应用，例如体外培养期间触发特定形状变换，需要控制降解速率。

5. 机械性能 (Mechanical properties)

生物墨水需要具有足够的机械强度，以支持结构完整性和防止打印后结构坍塌。

需要能够有效支持2D到3D和3D到3D的形状变换。

生物墨水的机械性能应与目标组织的机械性能相匹配，以避免机械不匹配或移植失败。

需要具有足够的机械强度，以支持细胞生长和功能，直到细胞能够分泌足够的自身 ECM。

6. 细胞 (Cells)

细胞来源：可以使用自体细胞或异体细胞。自体细胞免受免疫排斥，但可能受可用性或遗传/代谢疾病状态限制；异体细胞是更可行的细胞来源，但可能导致宿主免疫系统的排斥。

细胞密度：细胞密度取决于多种因素，例如水凝胶类型、生物打印机和目标应用。低细胞密度易于处理，但可能无法提供足够的生物学功能。高细胞密度通常可以更好地支持生物学功能，但可能影响生物墨水的打印性能，并可能导致喷嘴堵塞、光散射等问题。

细胞活力：细胞活力在生物打印过程中和打印后培养期间至关重要。需要控制剪切应力，以避免细胞损伤或死亡。

细胞增殖和功能：需要适当的细胞增殖和功能，以促进构建物的成熟。

细胞牵引力：细胞与肌动蛋白相互作用和肌动蛋白聚合产生的力，可以驱动临时微结构的变形，从而形成设计的形状。

总结

4D 生物打印智能生物墨水的开发是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素，以确保打印出具有所需形状变换和功能性的动态组织。随着技术的不断发展，未来将出现更多性能优异的智能生物材料，为 4D 生物打印技术的应用提供更多可能性。

参考文献

Lai J, Liu Y, Lu G, et.al. 4D bioprinting of programmed dynamic tissues. Bioact Mater. 2024 Apr 23;37:348-377.