综述：精准与定制化在再生医学中的作用：同轴3D打印的角色

本综述系统阐述同轴3D打印技术在再生医学领域的突破性进展，重点聚焦其通过多材料共沉积实现血管化组织构建（如骨、软骨）、疾病模型（肿瘤、神经）创新及时空控释药物递送系统的设计，并探讨了生物墨水优化、人工智能辅助参数设计等前沿挑战与解决方案。

　　

同轴3D打印技术概述

同轴三维（3D）打印作为一种先进的增材制造技术，其核心价值在于能够实现多材料的精确、同步沉积。这项技术通过独特的同轴喷嘴设计，将不同的材料（如细胞、生物材料、生长因子）以同心层（核心-壳层结构）或交替方式从共享喷嘴中挤出，从而构建具有复杂内部结构的组织工程支架。与传统的分层打印相比，同轴打印有效克服了阶梯效应，提升了制造精度和工程通用性。其工作流程涉及内外层材料的独立准备与输送，打印后内核材料通常通过化学溶解或热分解等方式移除，形成的空心结构可作为营养网络或功能通道，为后续细胞培养提供支持。

技术优势与多领域应用

同轴3D打印的优势体现在多个方面：增强机械性能、整合多种材料与功能、定制热学/电学/生物学特性、快速制造复杂结构以及提高材料利用效率。这些优势使其在工业监控、健康传感、人工智能硬件、食品包装等多个领域展现出潜力，但其核心价值在生物医学领域尤为突出。

在工业领域，同轴光学监测系统可用于分析激光定向能量沉积过程中的熔池动力学，通过实时数据反馈确保零件质量与工艺稳定性。在健康监测方面，该技术可用于制造具有核壳结构的可拉伸压阻传感器，例如以碳纳米管-硅胶为导电芯层、二氧化硅填充硅胶为绝缘壳层的传感器，其灵敏度极高（测量因子高达2.5×10⁶），并能承受高达400%的应变。在人工智能领域，同轴打印直接制造纺织基超级电容器和用于软机器人运动跟踪的液态金属传感器。在食品包装中，该技术用于开发下一代活性智能包装，例如制备具有抗菌功能的纳米纤维素气凝胶。

生物医学领域的核心材料

适用于同轴3D打印的材料需满足特定的物理化学性质，包括定制的流变行为、可控的凝胶动力学、固有的生物相容性以及打印后的结构保真度。常用的生物墨水包括天然水凝胶（如海藻酸钠-SA、明胶甲基丙烯酰胺-GelMA、胶原蛋白）和合成聚合物（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物-PLGA、聚乙二醇-PEG），以及复合生物材料。

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  海藻酸钠：以其优异的生物相容性和可降解性著称，通过与钙离子等多价阳离子在温和条件下交联形成凝胶。其快速凝胶特性使其成为封装活性物质或细胞的理想壳层材料。
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  明胶甲基丙烯酰胺：具有可调节的物理性质，能紧密模拟天然细胞外基质。其光交联特性提供了高保真度和结构完整性，常用于血管化组织构建。
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  胶原蛋白：作为细胞外基质的基本结构蛋白，在调节细胞粘附、增殖和迁移方面起着至关重要的作用。与海藻酸钠等材料结合，可增强打印结构的机械稳定性并促进有利的生物相互作用。
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  无机盐：如β-磷酸三钙（β-TCP）和羟基磷灰石（HAp），可显著增强水凝胶的机械性能，同时保持生物相容性。例如，结合42% β-TCP的生物墨水系统可将支架的抗压强度提高至43.04 MPa，接近松质骨特性。银（Ag⁺）、锶（Sr²⁺）等治疗性无机离子梯度整合到基质中，可实现活性成分的时空控释。
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  高性能材料：包括金属、陶瓷和神经引导导管，因其优异的机械、电学和热性能而被整合到同轴打印中。例如，采用同轴打印制造具有液态金属芯和磁性钕铁硼-聚二甲基硅氧烷壳的磁-机-电结构，实现了无线能量传输和变形传感。

打印参数对产品性能的影响

同轴3D打印的效果受多种参数影响，需针对特定墨水系统进行优化。

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  针头直径：同轴喷嘴的内外针规格（如17G外针配25G/26G/27G内针）是核心参数，决定了核壳结构的壁厚和核心通道尺寸（通常在200-1000 μm范围内），这对于血管化支架的养分传输至关重要。
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  打印速度：为确保纤维连续性，打印速度需与材料粘度相匹配。对于纤维素改性水凝胶墨水，固定打印速度为10 mm/s，通过调节气压（0.13-1.3 bar）来适应粘度变化。对于细胞负载的墨水，匹配体积流速而非单纯打印速度对保持细胞存活率更为关键。
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  成型温度：温度需根据材料系统定制。胶原蛋白-海藻酸钠复合材料系统需要在-15°C的低温下成型，以实现壳层快速交联和细胞存活。有机-无机复合材料通常在25°C室温下成型，以保持生物活性。药物负载系统则可能需要在-20°C的低温下进行冷冻定型，以保持结构完整性和药物活性。

在组织工程与再生医学中的突破性应用

同轴3D打印技术为组织工程和再生医学提供了强大的平台，特别是在构建复杂组织模型和支架方面。

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  先进生物打印策略与生物墨水：生物墨水的定制对于实现预期的组织工程结果至关重要。天然生物墨水（如GelMA、SA）提供良好的细胞环境，合成生物墨水（如PLGA）提供对机械性能和降解速率的精确控制，而复合生物墨水则结合两者优势。同轴打印能够创建核壳结构，核心包含细胞和生长因子，壳层提供机械支撑和保护，这对于构建血管化组织等复杂结构非常有利。
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  疾病与器官模型：
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    神经系统：用于构建模拟血脑屏障特征的神经血管单元模型，以及用于脊髓损伤修复的层状水凝胶支架，促进神经再生。
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    循环系统：用于制造仿生循环系统模型，包括心脏和血管构建体。在骨组织工程中，通过同轴打印沉积促血管化和成骨生物墨水，直接打印具有血管通道的骨样结构，改善细胞存活率。
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    呼吸系统：开发模拟人类呼吸组织的肺和气道模型，用于研究慢性阻塞性肺病等疾病，以及构建肺肿瘤模型。
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    消化系统：用于构建肝脏、胃肠道和胰腺模型。例如，利用同轴打印制造具有双通道内皮/肝细胞排列的肝脏模型，其细胞色素P450代谢活性可达天然肝组织的93%。
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    泌尿系统：制造功能性的双层肾小球微血管芯片，支持肾小球内皮细胞和足细胞上皮细胞的共培养，用于药物筛选和肾小球疾病建模。
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    肌肉骨骼系统：
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      骨组织：应用于颌骨骨折治疗、牙槽嵴保存、牙周组织再生等，通过构建血管化网络提高骨修复效率。
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      软骨：用于修复骨软骨缺损，构建模拟天然软骨-骨界面的分层支架。
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      骨骼肌：用于制造模拟软组织生物力学的 hydrogel，以及治疗体积性肌肉丢失损伤的预血管化肌肉结构。还可构建神经肌肉接头模型。
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    肿瘤：用于构建能准确模拟真实肿瘤复杂结构和功能的肿瘤模型，特别是血管化肿瘤球体和类器官。还用于开发局部药物递送系统，如用于乳腺癌术后治疗的核壳水凝胶纤维支架，以及用于胰腺癌治疗的同轴水凝胶贴片。

双药递送系统的创新

同轴3D打印非常适合双药或多药递送，因为它能在单个喷嘴内以独立的速度同时输送不同的药物。

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  个性化给药：例如，利用海藻酸钠基质定制同轴打印，实现口服药物的即时凝胶化和可控释放，具有高打印重复性和一致的释放行为。
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  控释系统：开发基于海藻酸钠的中空纤维支架，通过磁驱动技术实现药物和细胞的按需释放。利用聚己内酯-海藻酸钠核壳结构的pH响应性，在酸性环境中实现药物的控释。
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  疗效-安全性协同：通过精确调控药物释放动力学和定位，在提高疗效的同时减少副作用。例如，用于局部乳腺癌治疗的核心壳水凝胶纤维支架，在近红外照射下释放药物，有效消除残余癌细胞。
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  多功能性与定制化：设计灵活性高，可整合多种药物和治疗剂。例如，开发用于协同治疗视网膜血管疾病的载药多层核壳棒，可从单一植入物中同时释放贝伐珠单抗和地塞米松。

未来展望与挑战

尽管同轴3D打印取得了显著进展，但仍面临一些挑战：生物墨水的“可打印性-生物相容性”悖论、高精度打印与细胞存活率之间的平衡、实现临床级血管化（尤其是在厘米级构建体中形成可灌注的微血管网络）以及大规模生产和监管适应性。

未来，人工智能技术有望成为核心突破工具。AI可用于驱动生物墨水优化，建立连接材料成分、打印性能和细胞相容性的预测模型；实现闭环精密打印系统，动态补偿打印过程中的材料粘度波动和组织变形；促进监管和质量控制框架的发展，例如通过光谱学结合机器学习实时监测支架质量。

从应用实施角度看，短期内可优先考虑两个场景：利用同轴打印的多材料沉积能力构建患者特异性癌症模型；推动术中打印系统的临床转化。然而，AI设计材料的长期生物相容性数据、生物打印组织的伦理问题以及符合GMP标准的连续制造系统的开发等长期挑战仍需解决。实现从实验室突破到临床应用的真正转变，需要同轴3D打印创新、AI驱动的效率提升和监管体系适应性改革的深度融合。