在视频游戏Minecraft中，包括动物和角色在内的所有东西都是由称为体素的小型3D块组成的。弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的材料科学家开发了一种类似Minecraft的体素化方法，该方法使用液滴作为基本构建块来创建可与人体组织和器官相媲美的复杂结构。
材料科学与工程、化学工程和生物医学工程助理教授蔡立恒领导该团队。朱金昌博士蔡软生物物质实验室的学生开发了他们的生物打印技术，即球形生物墨水颗粒(DASP)的数字组装。
“原则上，DASP允许我们精确定义单个液滴的位置、组成和特性，并将它们组装成与生物组织的艺术性相匹配的3D结构，”Zhu说。
使用定制的3D打印机，该团队将生物墨水液滴挤出并沉积在支撑矩阵内，这是一个在3D空间中支撑和保持液滴的浆液浴。液滴膨胀，与相邻的液滴接触，然后凝固形成3D晶格结构。通过将由各种材料制成或封装有各种成分的液滴组合在一起，DASP展示了设计和创建功能性组织结构的大量可能性。
Zhu是该团队于2021年10月发表在AdvancedFunctionalMaterials上的原始论文的第一作者，Cai和他的合作者在论文中证明了体素化生物打印的概念。
“我们去年发表的论文是迈向3D打印组织的第一步，具有生物医学工程、药物筛选和疾病建模所需的复杂性和组织性，”蔡说。
Zhu和Cai受邀在ActaBiomaterialia2022年9月的特刊中分享他们的最新研究，即屈服应力流体中粘弹性液滴的全水印刷。
在最近的这篇论文中，他们解释了在所谓的屈服应力支撑矩阵中操纵粘弹性液滴的机制：支撑矩阵的行为就像一堆沙子，在不受干扰时就像固体，但在压力下像液体一样流动.
整个印刷过程的一个独特之处在于生物墨滴和支撑基质都是水性的;液滴与周围环境之间的边界几乎没有张力。生物墨水像蜂蜜一样具有高粘性，但在快速变形时具有弹性。
Zhu和Cai实时监控整个生物打印过程的动态，并确定三个相关阶段：液滴生成、分离和松弛。当液滴被挤出时，喷嘴以高加速度水平移动以与液滴分离，将液滴留在后面并困在支撑基质内。
“一个类似的案例是经典的拉桌布技巧，桌布突然被拉开，由于惯性力将盘子留在桌子上，”朱说，“但在我们的技术中，液滴从喷嘴上脱落主要是由于到支撑矩阵的约束力。”
该团队还确定了对打印分辨率有很大影响的参数，包括液滴直径、喷嘴直径和喷嘴加速度。他们的实验表明，高保真度的打印液滴需要相对较大的液滴与喷嘴直径比和高达每平方秒十米的适当喷嘴加速度。
“粘弹性体素的精确操作代表了软物质科学和3D生物打印的基础和技术挑战，”蔡说。“我们才刚刚开始建立体素化生物打印的基础科学。我们希望有一天我们可以将Minecraft方法完全转化为3D生物打印，这样我们就可以为基础和应用生物医学创建功能强大的3D组织模拟物。”