液压驱动生物打印技术HYBERFLOW：基于非侵入式流量反馈控制的生物墨水精准挤出

本文介绍了一种创新性液压驱动生物打印系统HYBERFLOW，通过监测驱动流体（而非生物墨水）流量实现非侵入式实时反馈控制（PID），解决了传统气动挤出生物打印（EBB）中因生物墨水（bioink）粘度变化导致的流量波动问题。该系统将生物墨水挤出体积误差控制在4%以内，显著提升异质性生物墨水的打印一致性，同时避免传感器接触生物墨水导致的细胞损伤和校准难题。

　　

亮点

HYBERFLOW通过液压驱动创新设计，将流量传感器从生物墨水（bioink）路径转移至驱动流体路径，从根本上解决了传统系统需频繁校准、影响细胞活性的痛点。实验证明驱动流体流量V?_AF与生物墨水挤出量V?_EF偏差<4%，为高粘度生物墨水和复杂喷嘴几何条件下的精准打印提供新范式。

设计理念

系统采用模块化设计，每个打印模块独立集成液压泵、流量传感器和微控制器（Arduino），通过PID算法实时调节步进电机转速。驱动流体（无菌水）的不可压缩特性确保流量传递效率，而生物墨水腔体与驱动腔体间的柔性隔膜实现力学解耦。

实验验证

1. 1.

   流量一致性测试：使用甘油溶液模拟不同粘度生物墨水（10-100 mPa·s），在27G-32G喷嘴下验证V?_AF/V?_EF线性关系；

2. 2.

   异质性材料挑战：分层填充琼脂（1%）-藻酸盐（3%）复合生物墨水，反馈控制系统将流量波动从±23%降至±3%；

3. 3.

   极限测试：当生物墨水粘度>500 mPa·s或喷嘴长径比>20:1时，系统仍保持响应速度<0.5秒。

讨论

与传统气动系统相比，液压驱动避免生物墨水与传感器接触，降低细胞剪切力（shear stress）和热损伤风险。但模块化设计会增加多材料打印时的硬件复杂度，未来可通过共享控制单元优化。

结论

本研究突破性地将液压驱动与流量反馈控制结合，推动挤出式生物打印（EBB）从经验驱动迈向精准可控的新阶段。开源的设计方案（GitHub可获取）将加速该技术在器官芯片（organ-on-chip）和病理模型构建中的应用。