《Biomimetics》：Feasible Regions of Nozzle Temperature, Extrusion Pressure, and Printing Speed in Extrusion-Based Printing Using a Sodium Alginate–Carboxymethylcellulose–Collagen I Bioink
Evgenia Dimitriou,
Nathan Wood,
Hongmin Qin and
Zhijian Pei
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本研究针对MEX生物打印中多组分生物墨水（SA-CMC-Col I）的工艺参数可行域问题，系统探究了喷嘴温度（10–35 °C）、挤出压力（10–100 kPa）及打印速度（5–20 mm/s）的交互影响，明确了获得连续挤出线材的稳定参数区间，为复杂组织构建提供了工艺指导。
当生物墨水遇上“路怒症”：如何让细胞在打印中平稳“上路”？
在药物研发和毒理学测试中，科学家们正试图用“人造器官”替代部分动物实验。想象一下，如果能用3D打印技术“造”出一块迷你肝脏或皮肤，直接在体外测试药物效果，不仅能减少伦理争议，还能获得更接近人类生理的数据。这背后依赖的核心技术，就是挤出式生物打印（MEX）——一种像挤牙膏一样，将含有细胞的“生物墨水”层层堆积成三维结构的技术。
然而，打印过程并非总是顺利。生物墨水（Bioink）是由天然高分子材料（如海藻酸钠、胶原蛋白）和活细胞混合而成的“生命浆料”，其流动性极其敏感。如果挤出压力太小，墨水堵在喷嘴出不来，打印线材会断断续续；如果压力太大或打印速度不匹配，高速剪切力又会像“路怒症”一样伤害细胞，或者导致墨水四处乱喷。特别是当生物墨水含有胶原I型（Col I）这种遇热会凝胶的材料时，喷嘴温度的微小变化都会让墨水的黏度发生剧变，让打印过程充满不确定性。
此前的研究多集中在简单的二元聚合物墨水，对于SA（海藻酸钠）–CMC（羧甲基纤维素）–Col I这种能兼顾打印性和细胞活性的三元墨水，究竟在怎样的“压力-速度-温度”组合下才能稳定工作，一直缺乏系统性的“地图”指引。Evgenia Dimitriou等人的这项研究，正是为了绘制这张关键的可行域（Feasible Regions）地图，告诉科研人员：在哪个参数区间内，你可以放心打印，线条必然是连续且稳定的。
关键技术方法
本研究采用气动挤出式生物打印机（BioX），系统探究了喷嘴温度（10–35 °C）、挤出压力（10–100 kPa）及打印速度（5–20 mm/s）对SA–CMC–Col I三元生物墨水打印质量的影响。通过旋转流变仪量化了墨水在不同温度下的剪切变稀行为及屈服应力，确立了流变学基础；利用三重复制打印实验及“连续/非连续”线材的二元评价体系，统计绘制了工艺参数的可行域图谱，明确了维持稳定挤出的临界条件。
研究结果
流变学表征：温度如何改变墨水的“脾气”？
研究首先对SA–CMC–Col I生物墨水进行了详细的流变学测试。结果显示，该墨水在所有测试温度下均表现出典型的剪切变稀（Shear-thinning）行为，即越用力搅拌（剪切），它变得越稀。这是利于挤出打印的理想特性。随着温度从10 °C升至30 °C，墨水的零剪切黏度总体下降；但在35 °C时，黏度却出现了轻微回升。这表明胶原成分在接近生理温度时开始了早期的热凝胶化，赋予了墨水独特的温敏特性。
可行域图谱：寻找打印的“黄金三角”
通过对240组参数组合进行打印测试，研究得出了决定打印成败的关键规律：
- 1.
高压区（70–100 kPa）是“安全区”：在绝大多数温度和速度下，只要压力足够高，都能获得连续的线材。高压提供了足够的驱动力，克服了喷嘴处的流动阻力。
- 2.
低压区（10–20 kPa）是“禁区”：10 kPa的压力在所有条件下均无法形成连续线材；20 kPa仅在35 °C时勉强可行，在其他温度下均失败。这说明压力过低无法启动稳定流。
- 3.
中压区（30–60 kPa）需要“慢工出细活”：在这个区间，打印速度成为关键因素。要想获得连续线材，必须降低打印速度（如5 mm/s），给墨水足够的时间流出。若速度过快（20 mm/s），则极易出现断线。
温度的角色：不仅仅是调节黏度
虽然温度变化影响了墨水的黏度，但实验发现，挤出压力与打印速度的交互作用才是决定可行域的主要因素。在10 °C到35 °C的宽温范围内，只要压力与速度匹配得当，都能找到稳定打印的窗口。这证明了该三元生物墨水具有良好的温度适应性，关键在于动态调整压力与速度的配比，而非死守某一个特定温度。
结论与意义
这项研究系统绘制了SA–CMC–Col I生物墨水在挤出式打印中的工艺可行域，揭示了挤出压力与打印速度的强交互效应是控制打印连续性的核心。研究证实，在较高压力下（70–100 kPa）可实现宽温域、宽速域的稳定打印；而在中低压力区间，则需通过降低打印速度来补偿流动性。
这一成果具有重要的实践指导价值：它为生物打印操作者提供了一份直观的“参数配方表”，避免了反复试错的成本。特别是在打印含有温敏性胶原的复杂组织（如皮肤、软骨）时，该研究为如何在保持细胞活性的前提下（避免高温损伤）调整工艺参数提供了科学依据，推动了器官芯片和组织工程模型的标准化制备。
