生物打印技術可精準控制細胞在三維空間中的排布，是體外制造人工組織器官的主要方法，對病變器官移植修復等可再生醫學和人體疾病體外模型構建及高通量藥物篩選等具有重要價值。然而，傳統的生物打印技術制造的人工組織器官雖然已經在宏觀形狀上實現了與真實組織器官的相似性，但在微觀尺度上常常不能匹配生物體的細胞構成精度及復雜性，這制約了人工組織器官的精準功能化。可以說，細胞的打印精度及復雜性已經成為了生物打印技術進一步發展的瓶頸難題。

微流控是一種具備在微尺度上精準調控單細胞行為的技術，以微流控技術革新傳統生物打印技術而提升細胞打印的精準及復雜性已經成為近年來的發展趨勢。該論文著重綜述了微流控液滴生物打印技術原理及方法，這種技術交叉一方面使得傳統液滴生物打印技術難以實現的單細胞打印、多細胞同時打印和液滴內細胞組成調控成為可能，同時基于這種技術革新產生了以往不能實現的諸多應用。

近日，北航機械工程及自動化學院張鵬飛教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology撰寫了題為“Printhead on a chip: empowering droplet-based bioprinting with microfluidics”的前瞻性綜述論文，該工作提出了基于微流控芯片構建打印頭（printhead on a chip）的概念，系統的闡述了微流控技術與生物打印技術交叉的新型液滴生物打印技術的原理和方法，總結了這種技術交叉產生的新應用，并提出了需要解決的關鍵問題及未來的發展趨勢。張鵬飛教授為論文的第一作者和通訊作者，加州大學舊金山分校（UCSF）Adam Abate教授為論文的共同通訊作者，北航機械學院陳華偉教授為論文共同作者。

圖1 微流控液滴生物打印技術

作者在論文中根據微流控生物打印過程中的液滴產生原理，對微流控液滴生物打印技術進行了分類，涵蓋了類噴墨式、聲場、電流體動力場、氣流剪切和液體支持浴等。作者詳細闡述了這些基于不同原理實現的微流控液滴生物打印技術的實現方式、打印原理以及構建打印頭時需要考量的因素。這些多樣的打印技術具備不同的特點和適用場景，很大程度上豐富了液滴生物打印的可選擇性和可應用性。特別是，通過集成微流控打印頭，在液滴打印過程中可實現細胞打印的原位檢測與篩選，從而使得單細胞精度的打印成為了可能；通過芯片上調控包覆細胞的液滴的分散、匯聚和篩選，可精準調控打印液滴內的細胞數目及種類；通過在芯片上構建多流道調控生物墨水打印行為，可實現多種類細胞及生物墨水在液滴內空間排布的控制。此外，這種技術交叉還使得具有高密度細胞的生物墨水打印、細胞微球和類器官精準打印制造及選擇性打印等成為可能。

圖2 微流控液滴生物打印技術分類

生物打印技術能力的提升有助于人工組織器官的精準制造，該論文詳細綜述了新技術突破在微尺度生物制造及應用上的創新，并特別聚焦于單細胞分析、高通量篩選、細胞微球/類器官打印制造以及微尺度組織制造等。傳統生物打印技術難以精準地實現單細胞打印，而微流控液滴生物打印技術在單細胞打印方面取得了顯著突破，這為單細胞克隆、單細胞PCR和單細胞多組學研究提供了技術支撐；此外，以單細胞或細胞群簇打印構建的細胞陣列有助于高通量的藥物及細胞代謝篩選分析。特別是，微流控液滴打印技術在細胞微球/類器官的制造方面提供了多維度的打印控制，可以通過單細胞精度打印精準控制細胞微球/類器官的大小及組成，可以調控細胞微球/類器官內部多種細胞的空間分布，還實現了單個細胞微球/類器官的高通量精準打印來構建類器官芯片等。在微尺度組織制造方面，同傳統技術相比，微流控液滴生物打印可以在單細胞精度上制造三維微組織、實現多種類細胞和模塊化構建復雜精準人工組織。

圖3 微流控液滴生物打印技術的應用

最后，作者總結了現階段存在的問題及未來的發展趨勢。為了進一步拓寬微流控液滴生物打印技術的應用，在打印系統簡化及標準化方面需要做出努力；同時，微流控液滴生物打印現階段只采用了了幾種基本微流控模塊，更多先進微流控模塊的開發利用能進一步提升打印系統的能力；在與其它技術集成方面，人工智能、多模式實時檢測分析和多能場高精細胞分選等技術可以在未來提升打印系統的智能化。在未來的應用前景方面，作者認為微流控生物打印技術將在多尺度人工組織制造方面取得突破，使得微組織制造更精準、通量更高，使得宏觀尺度組織構建精度更高、復雜度及功能性更加匹配生物本體，在精準組織工程與可再生醫學等領域將有巨大應用潛力。

審核編輯：劉清