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液滴式生物打印技术
三维生物列印技术可实现细胞和组织构建模块自动化地进行图案化排列，该技术能够制造高度有序的结构，从而再现原生组织的生理功能。液滴式生物列印（DBB）具备独特优势，能够实现细胞层级上的操作与控制，具备高通量构建复杂三维结构的优势。作为一种不断发展的生物打印方式，DBB 显著推动细胞相互作用、组织与器官形成的相关研究，以及对人类疾病的理解。其中，组织微环境（Tissue Microenvironment, TME）的空间与时间分布对再生医学极为关键。DBB因其高分辨率、可程式控制和单细胞操控的能力，被视为重塑TME的有力工具。
美国宾夕法尼亚州立大学的Ibrahim T. Ozbolat团队近期在《Nature Reviews Methods Primers》期刊发表了一篇题为《Droplet‐based bioprinting》的综述文章，主要讲述液滴式生物打印（droplet-based bioprinting, DBB）在组织工程和再生医学中的进展，重点聚焦于其对组织微环境（包括空间和时间维度）精准控制的能力，同时也讨论了目前的挑战与未来的发展方向。
生物打印是一种计算机辅助制造技术，能够将活性物质（如细胞、类球体和类器官）与非活性材料共同构建为三维生物工程结构。凭借高度的多样性与灵活性，该技术已广泛应用于再生医学、组织工程、药物研发、高通量筛选及细胞生物学等多个前沿领域。
在当前四种主流生物打印方式中，液滴式生物打印（DBB）因其出色的灵活性和简便的操作流程而尤为突出。该技术能够精准控制微尺度液滴的喷射，从而实现对生物墨水体积、细胞数量及其空间定位的高精度调节，为构建复杂生物结构提供了强有力的技术支撑。
图丨液滴式生物打印原理示意
文章中将DBB细分为五种子类型：喷墨式生物列印（Inkjet bioprinting）、声波式与声学迁移式生物列印（Acoustic 和 Acoustophoretic bioprinting）、微阀式生物列印（Micro-valve bioprinting）、静电流体动力式生物列印（Electrohydrodynamic bioprinting）。其中喷墨打印应用于生物打印范畴的主流类型为按需喷墨（DOD）: 原理是对一个装满生物墨水的液体腔施加短暂的压力脉冲，从而产生体积为纳升或皮升级别的单液滴。该压力脉冲可通过热、电压或压电驱动器产生，具体选择取决于生物墨水的组成和所需液滴的特性。
热喷墨（Thermal Inkjet, TIJ）是一种由热能驱动的 DOD 生物打印种类，利用微型电阻加热元件进行通电，使局部升温将微量液体气化并瞬间产生气泡，从而将喷嘴内的微小体积液体喷射出。文章中也提到 TIJ 的气泡存在时间极短，仅微秒到毫秒之间，且加热少于 1% 的墨水，总体温升仅为 4–10°C，对细胞活性方面影响甚微。且与其他方法相比，TIJ 生物打印机更适用于水基墨水，这类墨水在组织工程与再生医学领域中被广泛使用。针对 TIJ 生物打印的模拟模型也提供了对气泡成核、增长与破裂过程、液滴生成机制，以及过程中细胞所承受的机械与热应力的详细解析。
图丨三维生物打印的种类划分
论文强调 DBB 在空间上能实现诸多功能，其中包含通过逐点排布不同细胞类型实现细胞图案化与组织异质性重建(例如制造类似肿瘤-间质结构或神经-肌肉界面)，藉由打印不同浓度或交联度的水凝胶以模拟组织力学梯度，从而实现控制细胞外基质结构的目的。另外在微结构的 3D 构建方面，DBB 可通过图案化生长因子或导向胶原架构实现血管网络或器官芯片，在某些应用中 DBB 也可动态调控列印时间点、递送生物因子时序，关键应用案例有：按时间递送 VEGF、FGF 等以模拟血管生成阶段，借以模拟伤口愈合等多阶段生物过程。而通过时间控制基因传递或 RNA 干扰分子释放，进而诱导干细胞分化等方式可用于研究细胞分化或重编程的时序刺激。
图丨液滴式生物打印技术的应用场景
液滴式生物打印（Droplet-Based Bioprinting, DBB）在单细胞级别的精确操控方面展现出独特优势。该技术能够实现高达 7×10⁷ cells/ml 的打印浓度，尤其适用于研究细胞迁移与分化等动态过程。更为关键的是，DBB 可在模拟天然组织微环境的三维体系中，精准捕捉单个细胞对药物的响应行为。通过多种细胞类型的高密度共打印，沉积后的细胞可自发组装形成类球体聚集体，构建出适合探究多细胞互作的理想模型。
借助这一技术，研究人员能够高通量制备不同类型的细胞球体，包括神经母细胞瘤、肾脏细胞、胚胎干细胞以及乳腺癌球等，并可对细胞成分和空间布局进行精细调控。DBB 具备纳米级的液滴定位精度，使得液滴之间的间距及其重叠程度可灵活调节，从而在可控性强、重复性高的实验条件下，系统深入地研究细胞间的相互作用、信号传导机制，以及异质细胞之间的协同或拮抗效应。
由于 DBB 具备同时处理多种细胞类型与生物墨水的能力，因此可以构建异质性的三维结构，用于模拟人类疾病模型，在构建具有功能性肿瘤微环境的癌症模型中尤为有用，可用于研究肿瘤细胞的迁移、侵入周围成纤维细胞以及肿瘤–成纤维细胞间的相互作用。此外，喷墨打印可实现液滴包裹细胞并直接打印在基质胶等促进三维细胞球培养的疏水表面上，进而生成类器官。
这些患者来源的类器官能够保留原始肿瘤的免疫微环境，有助于快速建立肿瘤免疫治疗模型，尤其适用于样本量有限的情境，因为它能显著减少样本的消耗。另外，利用双喷头系统进行的液滴式生物打印可以同步将两种细胞类型（如成纤维细胞与肿瘤细胞）以高通量方式打印在水凝胶基底上，通过图案化排布，实现对癌症生长动力学的研究。
液滴式生物打印（DBB）凭借对细胞、DNA、生长因子、药物及蛋白质等多种生物组分进行高精度空间图案化的能力，能够构建高度异质的组织微环境，因此成为加速药物发现的理想工具。
结合高通量筛选技术，DBB 有潜力显著提升进入药物开发流程的先导化合物数量。通过配置并联的喷墨打印喷嘴，DBB 可构建高通量微阵列平台，实现对数百种药物的同时筛选。与传统的二维单层细胞药物筛选方法相比，DBB 所创建的三维微环境更接近真实体内生理条件，因而具有更高的预测准确性和应用价值。借助这一优势，DBB 有望显著降低药物研发的总体成本：一方面，有助于在临床前毒理学等早期开发阶段减少技术不确定性；另一方面，可有效降低候选药物在临床 II 期和 III 期试验中的淘汰风险，从而提升研发效率与成功率。
02
液滴式生物打印技术的创新先锋
早在六七年前，傲睿科技就以敏锐的市场洞察力，察觉到液滴式生物打印技术蕴含的巨大潜力，果断率先投身该领域进行研发。经过多年的深入钻研，傲睿科技厚积薄发，成功推出一系列具有创新性与领先性的产品。
单细胞打印系统系统 SCP4000
图丨傲睿科技单细胞打印系统 SCP4000
傲睿科技的 SCP4000 单细胞分选系统，深度运用喷墨式生物打印的按需喷墨（DOD）技术，展现出诸多显著优势。基于 DOD 技术原理，SCP4000 通过对液体腔精准施加短暂压力脉冲，实现了皮升级别的液滴操控，能生成最小仅 30pL 的液滴，这一精准操控能力使得单细胞的精确喷射成为现实，进而完成单细胞的精准定位与打印。
图丨通过多通道优势一次可分选20多个优质单细胞
高效的分选效率是 SCP4000 的一大亮点，借助 DOD 技术的高效性，它在单细胞分选速度上表现卓越，96 孔板的分选可在短短 2 分钟内完成，384 孔板也只需 8 分钟。同时，该系统还十分注重细胞活性的保持。得益于先进的 10X 高清成像技术和人工智能算法，SCP4000 能够精准区分出状态良好的单细胞，支持 label free 单细胞分选，有效规避了传统分选方式对细胞造成的损伤，为单细胞研究提供了强有力的技术支撑。
自动化 3D 细胞球构建平台 BP4000
图丨自动化 3D 细胞球构建平台 BP4000
傲睿科技的自动化 3D 细胞球构建平台 BP4000 运用 DOD 技术，支持体外免疫微环境重构。它能够将免疫细胞原位递送到肿瘤类器官表面，精确控制免疫细胞数量以及免疫细胞与肿瘤细胞的相对位置，辅助研究者构建标准化、高精度的复杂类器官模型。
傲睿科技与某 CAR-T 药物研发企业合作，借助 BP4000 系统取得显著成果。通过设定不同参数，可制备大小可控、标准化、高通量的人间皮瘤原代 3D 模型，孔间一致性 CV<10%。
图丨基于 BP4000 平台构建人间皮瘤原代 3D 模型
图丨利用 BP4000 高精度原位递送 CAR-T 药物至靶区
傲睿科技研发的 BP4000 系列产品功能多样，还能帮助研究者构建其他复杂模型，例如不同类型细胞团的相互作用模型；结合 MIMICUp 系统研究静态或动态免疫共培养；通过不同掺杂方式构建肿瘤微环境；进行 3D 水平的高通量药物筛选等。
图丨BP4000 系列产品辅助建模功能
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