随着3D打印技术的发展及组织工程、再生医学等研究领域的需求，生物3D打印技术已成目前正在兴起的研究领域。提到生物3D打印，我们最先想到的应用就是细胞3D打印、3D打印人工组织或人工器官。目前，市面上主流的商业化生物3D打印机大多数采用气压挤出的打印原理。即利用气体压力将生物墨水从墨盒中挤出，并通过不同规格的打印针头将材料沉积下来。

▲ 气压挤出打印原理

基于气压挤出的原理，随着材料学的发展，生物墨水的种类不局限于含有细胞的水凝胶，还可以是含有陶瓷、金属、石墨烯等材料的墨水。有了这些材料，生物3D打印机的应用范围被拓展至工程、电子等领域。美国西北大学材料科学和工程系的ShahTEAM实验室正是通过这些多样化的生物墨水，将生物3D打印机”玩“出了新花样。

Shah TEAM实验室的全称是ShahTissue Engineering and Addictive Manufacturing (TEAM) Lab。实验室专注于为组织工程和增材制造领域开发3D打印墨水新材料。除了材料研发，实验室还从事表征、功能测试和优化3D打印结构的工作。负责人Ramille N. Shah, Ph.D. 教授的专业方向是材料科学与工程。最初接触生物3D打印是2011年，那时她正在准备一门组织工程学的课程-制造支架的新技术，为此她决定用自己的学术项目基金采购一台德国envisionTEC3D-Bioplotter生物3D打印机。在此后的工作中，Shah教授的的团队针对这台打印机开发可用的生物打印墨水。

▲ Shah TEAM 实验室团队（图片来源：Shah TEAM Lab）

▲ envisionTEC 3D-Bioplotter

envisionTEC 3D-Bioplotter是德国envisionTEC公司在2006年基于气压挤出原理推出的全球第一款商业化生物3D打印设备，目前为第四代产品，最多可同时打印5种不同的材料，拥有多达8种针对不同材料的不同功能打印头，最主要的应用是打印骨组织再生支架、软组织、药物缓释、细胞及器官组织打印。

基于envisionTEC 3D-Bioplotter打印机，Shah TEAM实验室主要开发两种类型的材料：一种是用于组织工程和再生医学的水凝胶材料，另一种是颗粒悬浮状的墨水。颗粒悬浮状墨水最初也是为了组织工程学的应用而研发的，此后实验室的团队发现通过混入金属、石墨烯颗粒，颗粒悬浮状油墨和生物3D打印机的应用可以拓展至更广泛的领域。

Shah TEAM实验室于2017年在Nature Communications杂志（IF=11.57）上发表了题为“A bioprosthetic ovarycreated using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function insterilized mice”的研究论文。

Shah TEAM实验室在该项研究中选用了30℃的温度下的部分交联的柔软明胶作为3D打印的“墨水”，并通过envisionTEC3D-Bioplotter进行几何结构设计，发现卵巢内部微孔的几何形状与存活率有直接关系，而60°的微孔结构是最适合卵泡发育且能最大程度保证卵泡生理活动的。实验人员将3D打印的人工卵巢植入了小鼠体内，发现该人工卵巢具有生物活性，且具有维持储存激素、分泌卵子等正常功能，最终带有人工卵巢的小鼠产下了一些健康的鼠宝宝。

▲ 3D人工卵巢支架结构（图片来源：Nature Communication）

▲ 孕育出健康的鼠宝宝（图片来源：Nature Communication）

Shah TEAM实验室最初开发的颗粒悬浮状油墨是在聚合物溶剂中混入功能性的羟基磷灰石，该成分是骨骼中重要的矿物成分。使用这种墨水可打印出骨骼修复支架，在经过清洗、消毒之后可直接进行手术植入，在植入体内后体内的骨细胞会逐渐在支架中生长，逐渐形成新的骨骼组织，聚合物材料将在体内被降解吸收，而在3D打印聚合物支架上生长出来的骨头将与周边组织融为一体。

Shah TEAM实验室于2016年在Science Translational Medicine杂志（IF=17.16）上发表了题为“Hyperelastic“Bone”: A Highly Versatile, Growth Factor–Free, Osteoregenerative, Scalable,And Surgically Friendly Biomaterial” 的研究论文。Shah TEAM实验室在该项研究中通过实验选用了由90wt.%的羟基磷灰石（HA）和10wt.%的聚合物（PCL或PLGA）作为3D打印“超弹性骨”的“墨水”，结合计算机辅助设计，通过envisionTEC3D-Bioplotter快速（275 cm3/hour）打印了骨模型。该“高弹性骨”展现出了良好的机械性能（断裂应变：32 -67%，弹性模量：4 - 11 MPa），50%的孔隙率, 同时该“高弹性骨”还具有良好的生物相容性及生物活性，植入小鼠体后有血管化生成，并且在8周实现的小鼠骨缺损的修复。

▲3D打印“超弹性骨”（图片来源：Science Translational Medicine）

除了组织工程和再生医学这个老本行之外，Shah TEAM实验室还将生物墨水和生物3D打印机的应用拓展到了金属3D打印领域，利用同样的原理，他们陆续开发了含有铁氧化物、镍等金属成分的颗粒悬浮状墨水。这些金属3D打印的零部件与骨骼修复支架类似，零件中的聚合物材料最终也会消失掉，所不同的是，在打印完成之后金属打印对象中的聚合物成分并不是自然降解，而是通过高温烧结的方式进行“降解”，从而留下一个致密的金属零部件。

实验室于2015年发表在AdvancedFunctional Materials杂志（IF=13.12）上题为“Hyperelastic “Bone”: MetallicArchitectures from 3D-Printed Powder-Based Liquid Inks” 的研究论文就详细介绍了金属颗粒墨水的制备及3D打印过程。该方法较于主流的激光烧结3D打印技术的优势在于，打印过程不需要限定材料的来源、不需要限定材料的温度、不需要限定材料的数量，并且对一些活性较高的金属材料（如：金属镁Mg）也可以成型。

▲金属颗粒墨水的3D打印（图片来源：Advanced Functional Materials）

除了金属颗粒墨水，Shah TEAM实验室还开发了石墨烯墨水。同样的原理，实验室通过相似的颗粒状墨水材料工艺，通过对分散的石墨烯粉末进行弹性体混合和组合，开发出石墨烯墨水密度达60%-70%，可以实现3D打印并且能够打印出较大尺寸的结构。

Shah TEAM实验室发表在ACSNano（IF=13.9）上题为“Three-Dimensional Printing of High-Content Graphene Scaffolds for Electronicand Biomedical Applications” 的研究论文表明石墨烯墨水的应用领域即包括3D打印生物相容性的传感器和诱导组织再生的支架等，具有良好的生物活性和良好的导电性能。

▲ 金属颗粒墨水的3D打印（图片来源：ACS Nano）

作为envisionTEC 3D-Bioplotter的典型客户，Shah TEAM实验室使用3D-Bioplotter发表的相关论文已超过30篇，您可登录envisinTEC官方网站论文库进行查询，网址如下：

https://envisiontec.com/3d-bioplotter-research-papers/

据不完全统计，3D-Bioplotter相关SCI论文高达360篇，处于行业绝对领先！

▼ Shah TEAM实验室视频介绍

https://v.qq.com/x/page/i3074gpoqh0.html

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