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为什么有些水凝胶能够挤出来，却不一定能打印出理想的结构？论文中的打印参数，能直接复现吗？

在生物3D打印里，把材料从喷头挤出，往往是最容易的一段。难的是后面：挤出的线条能不能保持形状？内部能不能形成贯通的通道？打印之后的交联、清洗和培养，会不会把刚建立起来的结构破坏掉？

当目标从”打一个水凝胶块”变成”打一个带中空通道的组织模型”，设备、材料与工艺之间的配合就成了关键——而这恰恰是复现论文时最容易卡住的地方。

中山大学附属第三医院、清华大学深圳国际研究生院等团队在 Advanced Science 发表研究《One-Step Coaxial 3D Printing of Pre-Vascularized Skin Organoid Models with ADSC Microspheres for Enhanced Wound Healing》，用同轴挤出打印，一步构建了带血管样通道的预血管化皮肤类器官模型。

本文将围绕实际打印过程展开，重点解析：为什么选择同轴打印、材料怎样成型、参数如何影响通道，以及如何理解和复现这套工艺。

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01 打印技术：为什么需要血管通道？先看清楚打印要解决的问题

类器官和组织工程模型需要三维环境来支持细胞生长和相互作用。但随着组织结构变得复杂，仅依赖培养基中的营养物质扩散，可能难以满足较大组织内部的物质交换需求。

血管网络参与营养物质和代谢产物交换，也与细胞生长、组织成熟及后续功能维持密切相关。因此，如何在三维培养模型中构建具有一定空间可控性的通道，是组织工程研究需要面对的问题之一。

这项研究希望构建的不只是一个具有皮肤相关细胞的水凝胶支架，而是一个同时包含血管样通道、皮肤相关细胞和ADSC微球的预血管化皮肤模型。

为什么这里需要考虑3D打印？

因为研究者需要控制的不只是模型的外部形状，还包括内部通道的位置、尺寸，以及通道与周围水凝胶基质和细胞之间的空间关系。

传统方法也可以构建某些中空结构，但同轴挤出为内外两种材料同步沉积提供了另一种实现方式：内相负责定义未来通道的位置，外相负责形成周围的细胞培养基质。

因此，这项研究的关键不是简单地打印一个水凝胶支架，而是利用打印过程控制不同材料在同一结构中的空间分布，再通过后续处理完成最终成型。

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02 材料选择：同轴打印是怎样实现内外层结构的？

理解这项研究，先把”两相”分清楚。

明胶在这里是牺牲材料——打印时它占据通道位置，赋形完成后在37°C培养条件下自然溶解，把空间让出来。之所以选明胶，是因为它对温度敏感、可逆成胶，既能顺利挤出，又能在需要的时候被”请走”。

同时，内相还承担了一个容易被忽略的功能：论文提到，芯层可以为细胞提供免受挤出剪切应力影响的微环境，把内皮细胞”护”在通道中心。

论文方法部分报告的配方是：GelMA 10%（w/v）、Col1MA 3%（w/v），加入0.25%光引发剂LAP，两种前驱液按1:1体积比混合，制成GE/CO前驱液。外相中分散了HaCaT角质形成细胞、HFF-1成纤维细胞以及预先制备的ADSC微球。

为什么选GelMA和Col1MA？材料不只是要”能打印”

确定打印方式之后，下一个问题就是：什么样的材料适合构建外层基质？

对于含细胞水凝胶来说，材料需要兼顾多个要求：能够通过喷头挤出，沉积后能够维持设计形态，经过交联后具有一定的结构稳定性，同时还要为细胞提供适宜的培养环境。

如果材料容易挤出，却难以维持形态，可能无法形成预期结构；如果材料能够成胶，但细胞在其中的铺展和相互作用不理想，也不一定适合目标研究。

这项研究采用GelMA与Col1MA构建外层复合水凝胶，简称GE/CO。论文方法部分报告，GelMA为10%（w/v），Col1MA为3%（w/v），并加入0.25%的LAP光引发剂，两种前驱液按1:1体积比混合制备GE/CO前驱液。

GelMA：为水凝胶提供可光交联的基质
GelMA是甲基丙烯酰化明胶，能够在光引发条件下形成交联网络。在这项研究中，它是外层复合水凝胶的基础组分之一，帮助材料在打印后固定形态。但对于同轴打印来说，仅有光交联能力还不够。材料在交联之前需要先经过喷头，并在沉积过程中形成连续线条。因此，流变特性和实际打印表现同样重要。

Col1MA：引入胶原相关的基质特征
Col1MA是甲基丙烯酰化I型胶原。I型胶原是天然细胞外基质的重要组成成分，与细胞黏附及组织结构密切相关。研究将Col1MA与GelMA复合，希望兼顾水凝胶的成型能力与胶原相关的生物学特性。不过，复合材料是否更适合打印，不能只根据材料名称来判断，还需要结合实际测试。

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03 打印技术：材料是怎么一步步成型的——四个关键环节

这一节是全文的重点。整套工艺可以拆成四步，每一步解决一个具体问题。

第一步：分别配制内外两相

内相为5%（w/v）明胶溶液，将HUVECs悬浮其中；外相为GE/CO前驱液，与皮肤相关细胞及ADSC微球混合。两相在打印前分别配制、分别装料，互不干扰。

第二步：同轴挤出，形成芯壳线条

论文采用同轴挤出式生物3D打印，内针头22G、外针头17G。两股材料各自流经供料通道，在出口处同时挤出：明胶居中，GE/CO包覆在外，形成连续的芯壳线条。

两相之所以能通过口径很小的针头，与材料的剪切变稀特性有关——前驱液在针头内受剪切时表观黏度下降，因而可以顺利通过；离开针头、剪切消失后黏度回升，线条沉积到平台上就能先”站住”基本形状。（剪切变稀行为见论文Figure 2C；”出针后黏度回升”为挤出式打印的通用机理表述，论文未对该过程单独测量）

这一环节真正要控制的是：内外相能否持续稳定供料、能否在出口形成连续芯壳线条、外层能否持续包住内相。

第三步：低温定型 + 打印后光交联

挤出后材料不会立刻定型。论文把平台温度设为10°C——较低的平台温度有助于含明胶体系沉积后较快凝胶化，让线条在照光之前先立住、不流塌。（平台温度10°C为论文报告值；低温促进明胶凝胶化为通用机理表述）

真正的结构固定靠光交联。GE/CO中的GelMA与Col1MA带有甲基丙烯酰基；在光引发剂LAP作用下，405 nm蓝光激发LAP产生自由基，引发甲基丙烯酰基发生自由基聚合，使外层由”靠温度和黏度暂时维持的形状”转变为具有共价交联网络的水凝胶。论文报告的条件是：

• 光源波长：405 nm；
• 光照强度：100 mW/cm²；
• 光照时间：20 s。

这里有一个常被问到的关键点：20 s 是”打印完成之后”对整件构建体照射，不是一边打印一边照光。论文原文的表述是——打印完成后，构建体在405 nm蓝光下交联（100 mW/cm²，20 s），随后用PBS清洗并转入完全培养基培养。

同时要区分：光交联固定的是外层GE/CO，并不是靠照光把明胶芯层变成空腔。

第四步：明胶在37°C溶解，中空通道形成

外层交联后，明胶芯层仍占据结构中心。随后构建体在37°C条件下培养，明胶逐渐溶解，原先被明胶占据的空间就变成了中空管腔。

这就是牺牲材料成型的基本逻辑：先用明胶定义通道的位置和形态，再通过后续移除形成空腔，而不是要求打印机直接挤出一个空洞。

论文还给出了两个旁证：打印后观察到内轴细胞能在管腔内流动（论文Figure S3），说明去除内相后管腔是贯通的；培养第7天用裂解液溶解外层水凝胶后，GFP标记的HUVECs呈条索状相互连接、而不是分散的单个细胞（论文Figure S2），说明通道内壁的内皮细胞之间已经建立连接。

整套成型逻辑可以概括为：内外相同步挤出 → 外层光交联固定 → 明胶芯层37°C溶解 → 中空通道形成 → 结构与细胞验证。

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04 打印参数：打印参数如何影响中空通道的形成？

材料配方确定后，还需要通过打印参数控制最终结构。论文报告的主要同轴打印参数如下。

参数	论文报告值
内针头规格	22G
外针头规格	17G
内相流量	60 μL/min
外相流量	400 μL/min
平台移动速度	50 mm/min
打印温度	23°C
平台温度	10°C
模型尺寸	13 × 13 × 1 mm
打印后光交联	405 nm，100 mW/cm²，20 s

内外相流量：不仅影响挤出，也关系到通道尺寸

论文采用内相60 μL/min、外相400 μL/min的流量条件。内相用于形成临时芯层，外相则在周围形成包覆层。作者进一步比较了不同内相流量下的通道形貌，并报告了约80–250 μm的管腔直径调节范围。

这项结果直接展示了打印参数与最终结构之间的联系：流量不只是设备界面上的设定值，它会影响最终打印出来的几何尺寸。

为什么会这样？内相的供料量会影响芯层的形成，而外相需要同步包覆内相，并在后续交联后维持形态。不过，管腔直径并不只由内相流量决定，还可能受到喷头结构、外相供料、材料状态和后续处理等因素影响。因此，如果希望调整管腔尺寸，应在其他条件相对固定的情况下改变内相流量，并通过显微成像和尺寸测量确认实际结果，而不是仅凭设备设定值推断最终直径。

平台移动速度：要与供料量一起看

50 mm/min是平台移动速度，不是材料的挤出速度。真正决定两相供料快慢的，是内相60 μL/min与外相400 μL/min这两个流量值。

在挤出式打印中，单位时间的供料量与打印头移动速度共同影响单位路径长度上的沉积量。在其他条件不变时，如果供料量与移动速度不匹配，沉积线条可能出现过粗、过细或形态不稳定等情况。但具体表现仍取决于材料流变特性、喷头规格和供料方式，不能单独根据速度推算准确的线条尺寸。

温度与交联：分别影响不同的成型环节

打印温度23°C与平台温度10°C属于沉积环节；405 nm蓝光交联（20 s）属于打印完成后对已成型构建体的照射，不是边打印边照光；37°C培养下的明胶溶解则属于通道形成阶段。三者顺序不能颠倒。

对于这项研究，复现时需要关注完整的工艺顺序：内外相稳定供料、按路径沉积、外层交联固定，以及后续明胶移除。

真正需要复现的是整套工艺，而不是只复制一组流速和打印速度。

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05 打印复现：结构没按预期形成，该从哪里排查

同轴打印的一个常见误区是：看到平台上出现了一条连续的水凝胶线，就认为中空通道已经成功。外观连续 ≠ 内部有腔。建议按环节分头排查。

复现的关键不是反复调参，而是先识别问题出在哪一环，再逐项验证，并记录每次调整的原因。

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06 结构验证：怎样确认打出来的确实是中空通道

论文用两组证据来回答这个问题。

第一组看结构和尺寸。作者比较了不同内相流量下的通道形貌，并对管腔直径做了定量分析：荧光图显示，随着内相流量增加，管腔直径呈增大趋势；定量结果给出约80–250 μm的可调范围（图3D，n = 5，mean ± SD）。此外，环境扫描电镜（ESEM）观察到连续、内壁光滑的管腔（图3I）。此外，论文还报告内皮细胞密度会影响管腔成形——密度高时细胞连接致密、覆盖连续，密度低时排列不完整、边缘松散（图3E）。

第二组看通道内壁的细胞。作者在培养第5天做了CD31、F-actin和ZO-1染色（图3F–3H）：CD31呈连续的环状分布，提示形成了融合的内皮衬层；F-actin呈周向排列，与血管发育中的细胞骨架重塑一致；ZO-1则证实相邻细胞之间建立了连续的紧密连接带。

这些结果共同支持血管样结构的形成，但仍需谨慎区分”形成了血管样通道”和”已经具备完整生理血管功能”这两个不同结论。

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07 总结：从这篇论文出发，怎样提高实际打印的复现效率？

回到最初的问题：论文里的打印参数，能直接照搬到另一台设备上吗？

不能只看参数表。这项研究用的是同轴喷头，同时输送明胶内相与GE/CO外相，再通过光交联和37°C下的明胶溶解形成中空通道。复现时首先要确认的是——设备能不能实现这套完整工艺，而不只是能不能挤出水凝胶。

论文也给出了可借鉴的稳定性做法：所有水凝胶来自同一生产批次、分装后在相同条件下保存；打印参数（流量、针头规格、温度、平台速度）经过标准化，并在每次打印前用校准打印验证，以降低批次间和不同实验日之间的差异。这套记录习惯，对实际实验同样有价值——结果出现偏差时，完整记录能帮你判断问题来自材料、设备、供料还是后处理。

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