通过原位活性磁混合技术提高挤压3D生物打印中生物墨水的均匀性

《Device》：Advancing bioink homogeneity in extrusion 3D bioprinting with active in situ magnetic mixing

本工作提出磁力驱动混合装置MagMix，集成于3D生物挤出打印机，实时混合生物墨水，防止细胞沉淀和喷嘴堵塞，保持细胞活性与打印质量，适用于不同粘度墨水，提升打印可重复性和规模化，推动生物打印从手工向标准化制造转型。

　　

全局视角

3D生物打印技术有望推动组织工程在现实世界中的应用，从疾病建模到再生医学，再到生物混合机器人技术。然而，其转化潜力目前受到一个基本物理限制的制约：重力。在长时间或大规模打印过程中，细胞和水凝胶成分会自然地在打印头内部沉积，导致堵塞、细胞分布不均以及组织形态和功能不稳定。现有的解决方案（如静态混合或打印前均质化）无法有效解决打印过程中的细胞沉积问题。因此，3D生物打印的组织常常存在批次间差异，这影响了其可重复性、可扩展性以及最终的实际应用效果。

本研究介绍了一种磁力驱动的混合器（MagMix），这是一种紧凑、模块化、可调且不依赖于生物墨水的原位（in situ）混合平台，它能够在整个打印过程中主动对生物墨水进行均质化处理，而无需改变生物墨水的配方或3D打印机的硬件。通过使用可调节的外部电机来驱动磁力驱动的内部螺旋桨，MagMix能够实时抵消重力造成的分离现象，保持细胞的存活率和分化能力，防止堵塞，并实现不同流变特性的生物墨水的一致性长时间打印。这种长时间保持均质性的能力对于高通量生物制造来说是一个重要的进步。从长远来看，MagMix有助于将3D生物打印从手工操作转变为标准化、自动化的生产方式。通过提供一种简单且低成本的解决方案来应对这一普遍存在的问题，MagMix使3D生物打印更加可靠、可扩展，并且更容易被基础研究和转化研究领域所采用。

亮点

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一种模块化、低成本的平台，能够在3D生物打印过程中实现原位生物墨水混合

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计算建模和实验验证有助于优化平台设计

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主动混合可以防止细胞沉积，减少打印批次间的差异

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原位生物墨水混合可以提高3D生物打印的可重复性和可扩展性

总结

在3D生物打印过程中，保持细胞和水凝胶的均匀分布是一个关键挑战，尤其是在长时间或高通量打印时。我们提出了一种磁力驱动的混合器（MagMix），这是一种紧凑的模块化原位平台，可以集成到标准3D生物打印机中，实时对生物墨水进行均质化处理。MagMix利用伺服控制的外部磁铁驱动内部螺旋桨，实现连续、主动且可调速度的混合，而不会改变生物墨水的配方。计算模拟和实验验证有助于优化螺旋桨的几何形状和混合参数。我们使用不同粘度的常见细胞生物墨水验证了MagMix的实用性，结果表明，原位混合可以防止细胞沉积，提高细胞存活率，并在长时间打印过程中消除喷嘴堵塞，同时保持3D打印质量和细胞分化能力。MagMix可以轻松集成到任何3D生物打印工作流程中，为组织工程应用提供一种可扩展的、不受生物墨水类型限制的解决方案，从而提高生物打印制品的可重复性和功能性。

图形摘要