来源：EngineeringForLife
生物制造是一个新兴的跨学科领域，旨在开发用于组织工程和再生医学的技术。3D（生物）打印（3DBP）作为其中一项关键技术，能够通过逐层沉积细胞负载的生物墨水来制造具有生物活性的构建物，但其使用的水凝胶材料在力学性能上存在不足，难以满足软骨、骨骼和皮肤等组织的重建需求；而纤维制造技术可以提供所需的力学性能和生物性能，通过将这两种技术结合，可以制造出具有多尺度层次结构和增强力学及生物性能的复合3D结构，从而更接近天然组织的性能。
基于此，来自德国拜罗伊特大学Leonid
Ionov团队探讨了将3D（生物）打印（3DBP）与纤维制造技术相结合在组织工程应用中的可能性和局限性（图1）。这种结合能够更好地模拟天然组织的结构和功能，为组织工程和再生医学提供更有效的解决方案。相关综述论文以“3D
(Bio) Printing Combined Fiber Fabrication Methods for Tissue
Engineering Applications: Possibilities and
Limitations”为题于2025年4月14日发表在《Advanced Functional Materials》上。
1.生物组织各向异性
生物组织的各向异性主要源于其细胞外基质（ECM）的复杂层次结构和细胞的排列方向。ECM由胶原纤维和弹性纤维等纤维成分以及蛋白多糖和糖胺聚糖等凝胶状基质组成。这些纤维成分赋予组织张力和弹性，而凝胶状基质则为细胞增殖和迁移提供水合环境。组织的各向异性在骨骼肌、心肌、半月板、角膜基质等多种组织中表现明显，这些组织的纤维排列方式（如平行、径向、网状等）决定了其机械和结构各向异性。因此，在组织工程中模拟天然组织各向异性的重要性，以更好地重建组织的机械和生物学性能（图2）。
2.3D生物打印技术
作者在此部分详细介绍了3D（生物）打印技术的多种方法及其在组织工程中的应用。这些技术包括挤压式3D打印（Extrusion
3DBP）（图3a）、喷墨式3D打印（Inkjet
3DBP）（图3b）、光固化技术（如数字光处理DLP和立体光刻SLA）以及激光辅助3D打印（Laser-assisted
3DBP）（图3c）。这些技术通过不同的方式实现细胞和生物材料的精确空间沉积，以制造出具有生物活性的三维结构。同时，对各种不同打印技术的优势与局限性均作出了系统说明。
3.组织工程的纤维制造方法
纤维制造技术主要包括静电纺丝（ES）（图4a）、熔融电写（MEW）（图4b）和热塑性/熔融沉积建模（FDM）3D打印（图4c）。这些方法能够制造出从纳米到微米尺度的纤维，用于构建组织工程支架。ES技术通过高电压从聚合物溶液中拉出纤维，具有高比表面积和孔隙率，但通常只能制造2D结构且厚度有限。MEW技术则通过高电压从聚合物熔体中拉出纤维，能够精确控制纤维的空间沉积，制造出具有可控孔隙几何形状的3D纤维结构。FDM
3D打印则通过加热热塑性聚合物并将其通过喷嘴挤出，能够制造出具有宏观尺度的纤维结构，但其分辨率较低，难以模拟天然细胞外基质（ECM）的纤维结构。
此外，作者还讨论了其他纤维制造技术，如机械拉伸、手拉纤维、拉伸纺丝、可调工程参数的纺丝头（STEP）、3D熔喷（3DMB）、轨道纺丝、离心/旋转喷射纺丝、磁力纺丝和重力纤维拉伸（GFD）等（图5）。这些技术各有优势和局限性，适用于不同的组织工程应用。作者还讨论了这些纤维制造技术与生物3D打印结合的可能性和优势，指出通过结合这些技术可以制造出更接近天然组织的复合3D结构，从而提高组织工程支架的机械和生物学性能。
4.3DBP与纤维制造/纺丝技术及其组织工程应用
用于组织工程应用的水凝胶纤维复合材料有望增强混合或复合3D构建体的总体机械和生物学特性，这是由于在细胞囊囊中包含机械各向异性纤维纤维结构。在该系统中，水凝胶为细胞提供了水合环境，可在包含环境中培养细胞的生长和迁移，而纤维充当整体构建体的机械和结构支持，并充当首选细胞取向的机械指导。作者在此部分总结了将3DBP与纤维制造/纺丝技术相结合的方法及其在组织工程中的应用，作者讨论了多种纤维制造技术（如静电纺丝ES、熔融电写MEW、热塑性/熔融沉积建模FDM
3D打印和触摸纺丝TS）与3DBP的集成方法。这些集成方法通过在3D打印的水凝胶中嵌入纤维，制造出具有多尺度层次结构和增强机械及生物学性能的复合3D结构，从而更好地模拟天然组织的特性（图6-11）。
尽管3D（生物）打印（3DBP）单独使用可以为细胞提供支持并制造出几何相关的细胞封装的水凝胶结构，但其固有的水凝胶材料由于机械性能较差且降解速率不可控，缺乏长期体外和体内应用所需的结构和机械稳定性。相比之下，纤维制造方法能够提供所需的结构和机械性能，但缺乏在水凝胶环境中封装细胞的能力。因此，将3DBP与纤维制造方法相结合可以制造出具有增强结构稳定性和机械性能的复合3D结构，更好地模拟天然组织的结构，这对于组织工程和再生医学应用至关重要。未来的研究方向应包括进一步开发和优化集成生物制造技术，以实现更复杂的生物结构的制造，并探索这些技术在细胞农业等其他领域的应用。
参考资料：https://doi.org/10.1002/adfm.202500450
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