微流控生物3D打印可控微观形貌泡沫纤维

  在组织工程领域，天然骨组织的分级孔隙结构难以通过传统技术（如颗粒浸出、气体发泡）精准模拟，现有方法存在孔径分布不均、孔隙率调控不足及机械性能与生物相容性难以平衡等问题。特别是传统多孔功能梯度材料（pFGMs）制备技术无法动态调整孔隙参数，限制了对复杂生物组织微环境的仿生构建。   
     来自意大利技术研究院的Chiara Scognamiglio教授、罗马第一大学的Gianluca Cidonio教授和波兰科学院的Marco Costantini教授团队合作，开发了一种微流控三维生物打印系统，通过集成泡沫发生器与同轴挤出器，实现了泡沫纤维微观形貌的动态调控。团队利用微流控芯片实时生成气泡，结合海藻酸钠-明胶-纳米粘土（LAG）生物墨水的原位凝胶化，构建了具有轴向空心通道和径向分级多孔结构的泡沫纤维。该方法通过调节空气压力（700-1600 mbar）和液体流速（25-40 μL/min），可精确控制气泡直径（25-73 μm）和孔隙率（10%-60%），并通过多喷嘴打印实现单/多级孔隙结构的空间分布。   

在15 mm长神经缺损的SD大鼠模型中，该泡沫纤维促进了神经轴突定向生长和肌肉功能恢复，其效果与自体神经移植相当。相关工作以“Microfluidic 3D Bioprinting of Foamed Fibers with Controlled Micromorphology”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
 

研究内容
1. 微流控泡沫发生装置与打印流程示意图，通过三维建模与实验装置搭建的方法，研究了集成泡沫发生器与同轴挤出器的微流控打印头结构。结果表明，该装置通过前级芯片生成气泡（直径25-73 μm，频率最高2 kHz），后级芯片实现生物墨水（LAG）与交联剂（CaCl₂）的同轴凝胶化，可在打印过程中动态调整泡沫密度（空气体积分数10%-60%），形成轴向空心、径向多孔的纤维结构。      
 

2. 泡沫特性与工艺参数关联性分析，通过高速摄像（10000 fps）与图像分析的方法，研究了空气压力（700-1600 mbar）和液体流速（25-40 μL/min）对气泡尺寸、频率及体积分数的影响。结果表明，气泡直径随压力升高从25 μm增至73 μm，体积分数最高达74%（低流速25 μL/min时），且压力-直径关系呈线性（R²>0.92），验证了泡沫特性的可控性。      
 

3. 泡沫纤维微观结构与力学性能表征，通过扫描电子显微镜（SEM）与压缩测试的方法，研究了不同泡沫密度（低、中、高）对纤维孔隙率（9.8%-58.7%）和机械性能的影响。结果表明，高孔隙率纤维（空气体积分数60%）弹性模量为0.87±0.12 MPa，韧性较实心纤维降低62%，但分级孔隙结构（如梯度/交替排列）可提升力学稳定性（弹性模量偏差<15%）。      
 

4. 三维打印支架的孔隙分布与生物相容性评估，通过微计算机断层扫描（μCT）与活/死细胞染色的方法，研究了单/多级孔隙支架（10×10 mm²）的内部结构及MG63细胞响应。结果表明，梯度孔隙支架（孔隙率15%-50%）内部孔隙连通性达82%，含0.125% v/v表面活性剂的LAG墨水可维持细胞存活率>85%（培养21天），且RGD修饰藻酸盐显著促进细胞黏附（聚集直径从34 μm增至95 μm）。   
 

5. 细胞负载支架的功能化与长期培养研究，通过酶促交联（μTG）与免疫荧光染色的方法，研究了RGD修饰藻酸盐与明胶的协同作用对细胞迁移的影响。结果表明，经μTG处理的支架在3周时细胞迁移至纤维表面形成连续层，而未处理组细胞局限于内部孔隙，证实化学修饰可增强细胞-材料相互作用，促进组织样结构形成。      
 

研究结论
     本研究开发了一种集成微流控技术与三维生物打印的一步法，用于制备含活细胞的功能梯度多孔水凝胶。通过调控空气压力（700-1600 mbar）和生物墨水流量（25-40 μL/min），可实时生成直径30-70 μm的微泡，泡沫纤维孔隙率达10%-60%，且具备分级孔隙结构。微计算机断层扫描（μCT）显示，打印支架内部孔隙连通性良好，单/多级孔隙分布可精确控制。生物相容性研究表明，含0.125% v/v表面活性剂的支架可维持MG63细胞存活率超85%，RGD修饰藻酸盐结合酶促交联显著促进细胞黏附与迁移。该方法无需有机溶剂，泡沫在线凝胶化确保打印精度，适用于细胞封装。尽管表面活性剂毒性限制需通过稀释或天然替代品（如白蛋白）优化，本研究构建的微流控打印平台为仿生组织工程支架的多尺度孔隙设计提供了新策略，在骨再生等领域具有应用潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c22450