從堅硬的骨骼到柔軟的脂肪，從微細的毛細血管到整個大腦，我們的細胞形成多種組織類型的能力是組織工程學中最引人入勝最具挑戰性的方面。為了重現人體的復雜性，組織工程師將不得不利用各種3D生物打印技術來替代當前的“一刀切”解決方案。這篇文章解釋了CELLINK提供的兩種臺式三維（3D）生物打印解決方案的優缺點-擠出型生物打印機BIO X?和INKREDIBLE?，以及輕型DLP光固化生物3D打印機Lumen X?（由Volumetric技術驅動），特別是比較每種材料的力學、分辨率、幾何形狀和材料兼容性。
打印機制
兩種生物打印技術均始于計算機輔助設計（CAD）文件，該文件被切成離散的水平層，然后由打印機進行構建和堆疊以生成3D構造。不同之處在于每種方法如何處理這些層次。
對于基于壓力擠出式的生物打印，更常見的技術是將糊劑或液體裝入安裝在龍門架或機械臂上的墨盒中，該墨盒沿打印床或表面上方的笛卡爾坐標移動，從而在其上進行打印。機械力通常是氣壓或電機驅動的活塞，將材料推過噴嘴以形成細絲。通過在表面上拖動細絲，龍門架跟蹤第一層的輪廓。然后按照用戶的要求，門架繼續以填充圖案逐層沉積細絲，以建立孔隙率和機械強度，直到完成打印為止。
基于數字光處理的立體平版印刷術（基于DLP的SLA）也是逐層過程，但是代替通過噴嘴擠出材料，照明源與電影放映機不同，它使用靜止圖像處理每一層。將此圖像投影到光敏液體的浴液或液滴中會刺激化學反應，從而導致液體僅在照明時固化或固化。將這些固化層堆疊在構建平臺上可產生打印對象。
解析度
在討論打印技術時，通常將分辨率或最小的理論上可打印的細節進行比較，這由許多因素（例如材料和幾何形狀）決定，而這些因素不在本文的討論范圍之內。我們的比較集中于沿X和Y軸的平面分辨率。在基于擠出的生物打印中，噴嘴的直徑決定了可以擠出的長絲的直徑。在基于DLP的SLA中，投影像素的大小定義了可以固化的最小光點。該光點通常小于大多數擠出噴嘴直徑，并且化學反應更加一致，從而使基于DLP的SLA印刷技術能夠以比擠出生物印刷更高的分辨率產生更小，更復雜的物體。細絲離開擠壓式生物打印機的噴嘴后，除了重力和摩擦力之外，沒有任何東西可以控制細絲的放置和散布方式，從而導致沿細絲邊界的某些變化。即使使用與基于DLP的投影機的最小光點大小相同的燈絲，在這種可變分布的情況下，擠出的印刷品看起來也會比SLA印刷的結構粗糙。
微流體應用
由于擠出的印刷品基本上是圓柱狀的堆積物，例如艙室原木，因此長絲之間的接觸面積很小。當這些堆疊的圓柱體本身以類似于血管的管狀形式布置時，小的接觸面積使得難以確保該管是水密的并且足夠堅固以承受流經其的流體的壓力。另一方面，基于DLP的SLA則將印刷材料的薄片夾在中間，基本上從一邊到另一邊都是粘在一起的，從而產生明顯更堅固，不透水的結構。基于DLP的SLA具有更堅固的管子和更光滑的側面，非常適合生物打印芯片實驗室微流體設備，尤其是那些具有復雜網絡的設備或需要在顯微鏡下成像且無畸變的設備。基于DLP的SLA在打印復雜的負面特征（如網絡）時的優勢也有助于其打印復雜的正面特征（如網格）的能力。
控制孔隙率
組織工程支架需要在各個維度上均具有特定的孔隙率和形狀，以匹配天然組織并允許細胞存活，但是擠出生物打印機僅在填充線之間的負空間內即可形成孔隙率。如圖1所示，使用擠壓打印機打印立方體時，用戶可以選擇一定百分比的六邊形填充物，然后機器將在立方體內打印垂直對齊的六邊形。
圖1.?立方體的擠壓3D打印。?A）立方體的CAD模型，B）顯示周長（黃色）和填充（紅色）路徑的切片圖像，C）擠壓的立方體。
擠出切片機著眼于對象的外部邊界時，基于DLP的SLA切片機以100％填充的方式在單個圖像中捕獲層的整個平面，因此必須在原始模型中創建所需的任何孔隙率。?盡管這可能會帶來前期的復雜性，但許多CAD套件仍可以將格子圖案應用于對象，例如圖2中的立方體。
圖2.?基于DLP的多維數據集的3D打印。?A）具有螺旋狀結構的立方體的CAD模型，B）將被投影到感光材料上的切片的圖像，C）印刷的螺旋狀立方體（右）。
組織（如骨骼）在三個維度上具有孔隙和幾何形狀，因此能夠生成并打印重復的晶格或隨機3D結構將產生更好地模仿生理組織的支架。基于逐絲擠出的方法具有固有的易碎性，使得像圖2中的結構那樣幾乎不可能打印網格。另外，在擠壓結構中，孔隙是垂直存在的，而水平孔隙則出現在層之間，因此是有限的或不存在的。考慮到每種技術的不同優勢，用戶必須為其設計考慮最適合的生物打印方法。雖然擠壓提供了簡化的設計和打印過程，使其非常適合于訪問CAD軟件受限或剛剛起步的實驗室，但基于光的生物打印技術目前是再現人體最小，最復雜結構的最佳選擇。但是形狀和大小只是組織工程難題的一部分。
選擇材料
如果器官由一種材料和一種細胞類型組成，則生物打印器官將容易得多，但是適當地重建器官意味著捕獲不同細胞類型的空間排列。擠壓打印機可以在龍門架上排列任意數量的墨盒，從而可以逐個細絲地排列材料和細胞，從而精確地模擬體內環境。相比之下，基于DLP的SLA浴通常是一種材料和一種細胞類型。已經進行了多種嘗試來執行多材料SLA打印，其中材料或單元類型的布置無關緊要；然而，這些嘗試通常涉及緩慢，重復的清潔步驟，并且存在洗滌液之間或從一種材料到另一種材料之間交叉污染的風險。擠出不僅可以進行多種材料的生物印刷，而且還可以使用多種材料進行印刷。
將流體推入藥筒的簡便性，使組織工程師在擠出液化然后固化的材料之前和之后都具有創造力和靈活性。擠壓材料的幾乎無限可能解釋了BIO X可用的打印頭的多樣性，使研究人員可以在單張打印中組合多種材料和單元類型。顧名思義，基于光的生物打印技術（例如在Lumen X中發現的基于DLP的SLA）使用感光材料和光源來促進固化。感光材料還必須具有足夠低的粘度，以便在打印過程中構建平臺移入和移出液體時，液滴可以流入液滴。
從力學、分辨率、幾何形狀和材料選擇的角度來看，基于擠壓的SLA生物打印機和基于DLP的SLA生物打印機之間存在許多差異。但是每種方法的優點使它們在許多研究環境中具有完美的互補性。擠出技術可以從多種生物墨水調色板中進行多種材料的打印，并提供簡化的模型設計，而基于DLP的SLA則可以在高分辨率下實現顯著的幾何復雜性，并且根據所使用的材料，可以實現完美的清晰度。研究人員還可以在一個實驗中結合這兩種技術。例如，通過將混合的細胞從BIO X擠出到在Lumen X上印刷的微流體芯片中。無論您選擇在工作流程中添加一個還是兩個，您都會發現CELLINK提供了可靠的，通用的生物打印解決方案。
