在再生医学与器官工程领域，精确构建具有复杂三维结构和细胞功能的活体组织一直是核心目标。挤出式生物打印因其广泛的材料兼容性和连续沉积能力而被广泛采用，然而，传统方法受重力塌陷和支撑材料依赖性的限制，难以稳定打印悬空、中空或多层交织的复杂几何结构。嵌入式生物打印通过将生物墨水挤入流变可调的支撑浴中，实现了无需外部支撑的打印，极大地扩展了可打印结构的自由度。尽管如此，现有技术仍面临一个根本性瓶颈：长针头（通常25–50 mm）在粘性浴中三维运动时，流体阻力和弯曲变形会引入不可忽视的位置误差；同时，长流道增加了挤出系统的响应时间，降低了挤出启停控制的精度；此外，大体积的支撑浴导致材料消耗巨大，尤其对于昂贵或精细调配的流变体系构成了主要限制。
为了克服这些挑战，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室的研究团队在《Materials 》上发表了一项创新研究，提出了连续浴嵌入式生物打印策略。该研究旨在重新定义嵌入式打印的机械与流变学基础，为构建复杂生物组织提供一个高精度、高效率的平台。
研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：1. 多打印头协同平台：使用配备五个独立工作站的SIA Bioprinter PRO生物打印机，配置多个电动挤出打印头，分别装载生物墨水、壳层材料和浴材料，实现“壳-浴-生物墨水”三层的循环沉积。2. 动态局部浴生成技术：将支撑浴从静态容器转变为打印过程中动态参与、局部限制的介质，通过打印壳层来局部限制浴体积。3. 超短针头应用：采用长度约3 mm的超短针头进行打印，以抑制针头变形引起的误差。4. 材料系统与表征：制备了明胶微球乳液作为液体浴材料，并采用光敏性胶原（NorCol， Norbornene-modified collagen）作为生物墨水；使用流变仪对材料进行了全面的流变学表征。5. 光交联固化：打印后使用405 nm紫外光源进行光交联，以固化结构。
研究结果
2.1. 精度优化
通过对液体浴材料进行流变学表征，确认其符合作为支撑液体浴的要求。使用混合红色荧光染料的NorCol墨水在液体浴内打印，微观成像定量评估显示，挤出丝具有高打印保真度。在传统嵌入式打印中，长针头在浴中的运动会造成显著的位置误差，有限元分析模拟也证实了针头变形随长度增加而增大。在CBEB过程中，最关键参数是每个打印周期中的浴高度，实验确定3 mm为最佳浴高度，据此可将针头长度设为3 mm，其最大变形小于1 μm，可忽略不计。
3. 工艺对比分析
与逐步浴嵌入式生物打印方法相比，CBEB在打印标准管状结构时显示出更小的误差和变异性，外观、精度和结构稳定性均更优。相较于传统嵌入式打印，CBEB通过使打印的壳层动态适应打印物体的几何形状，消除了不必要的浴体积，对于复杂结构，浴材料与生物墨水的体积比从5.0降至1.6，实现了约68%的材料节省。
3.1. 复杂打印演示
通过单材料和多材料打印测试，验证了CBEB工艺打印复杂结构的能力。成功打印了中空金字塔、DNA双螺旋、多种构型的小尺度血管模型以及心脏瓣膜结构。在多合一收敛打印模式下，短针头在切换材料和梯度材料打印中表现出显著优势，能够更真实地再现预期的控制轮廓，打印出具有清晰颜色过渡的玫瑰模型以及具有红绿渐变条纹的花瓶和心脏模型。
3.2. 载细胞生物打印性能
在高细胞密度条件下，比较了长针头和短针头挤出后的细胞活性，结果显示通过短针头挤出的细胞活性显著更高。使用载有心肌细胞的NorCol生物墨水进行心脏组织定向打印测试，成功打印了心室结构、胶原-硅胶复合心室结构以及一个完整的胶原心脏模型。活/死染色评估显示，打印后7天，细胞活性仍保持在80%以上。
研究结论与讨论
本研究所提出的CBEB工艺，通过多打印头平台循环构建局部浴系统，解决了传统嵌入式打印使用长针头固有的精度损失和材料浪费问题。CBEB将嵌入式打印的支撑浴从“被动容器”重新定义为“动态生成、局部限制的介质”，其性能提升根本上源于对“局部浴稳定性”的重新定义，而非依赖“全局浴体积稳定性”。从流体力学角度，CBEB通过将浴高度限制在约3 mm，显著降低了主导误差放大因子——针头长度，从而将针头变形限制在微米级，有效消除了针头柔性引起的累积定位误差。
此外，“连续浴”机制仅需维持超过墨水挤出阈值的屈服应力即可提供足够支撑，确保了悬浮和层间完整性。与SBEB方法相比，CBEB通过协调的多打印头操作自动更新浴和壳层，避免了液体扰动带来的累积效应，显著提高了精度和结构稳定性。CBEB框架还具有多种内在优势：短针头大幅减少了挤出压降和剪切速率梯度，最大限度地减少了沉积过程中的细胞损伤；更短的流道意味着更短的传输弛豫时间，有利于高频启停控制以及快速材料切换和梯度打印；浴体积动态适应打印几何形状，大大减少了浴材料消耗。
值得注意的是，CBEB本质上是与“多组分或梯度打印头”兼容的，这为多材料和梯度组织制造开辟了新路径。总之，通过引入“连续浴”概念，CBEB重建了嵌入式生物打印的机械和流变学基础，在复杂生物结构制造中实现了高精度、高效率和低材料消耗，为体外构建多层和多材料组织器官提供了新的技术框架。该研究确立了一个可扩展、多功能的平台，对下一代再生医学具有重要意义。
