基于挤出的生物固体3D打印或“生物打印”是一种很有前途的方法来生成患者特异性的组织工程移植物。然而，生物打印的一个主要挑战是目前大多数使用的材料缺乏在广泛应用中使用的多功能性。

德克萨斯A&M大学的一组研究人员开发了新的纳米技术，利用纳米粒子的胶体相互作用来打印可以模拟组织和器官结构的复杂几何形状。该团队由生物医学工程系副教授兼影响研究员AkhileshGaharwar博士领导，引入了二维纳米硅酸盐的胶体溶液作为打印复杂结构的平台技术。

二维纳米硅酸盐是直径为20至50纳米、厚度为1至2纳米的盘状无机纳米颗粒。这些纳米硅酸盐在水中形成一定浓度以上的“纸牌屋”结构，称为胶体溶液。

在研究材料的变形时，这些胶体溶液具有吸引人的特性，例如增加的粘度和屈服应力以及剪切变稀，其中粘度在应变下降低，以及触变行为，其中材料响应于施加的力而变形。Gaharwar实验室利用这些纳米硅酸盐的流变特性进行基于挤压的3D打印。

该团队的研究结果发表在《生物打印》杂志上。

基于挤压的3D打印的一些主要挑战是无法打印高大而复杂的结构，因为软材料在重力作用下流动并且不能形成自支撑结构。为了克服这些挑战，研究人员使用了胶体纳米硅酸盐，并使用三种不同的方法将它们作为生物打印的平台技术进行了展示。

在第一种方法中，Gaharwar实验室的生物医学工程研究生和该论文的主要作者SatyamRajput设计了一种由纳米硅酸盐和水溶性聚合物(如琼脂糖、藻酸盐、κ-卡拉胶、明胶)组成的剪切稀释墨水、明胶甲基丙烯酰、聚乙二醇和N-异丙基丙烯酰胺。可印刷油墨配方显示出良好的形状保真度。

在第二种方法中，该团队展示了使用纳米硅酸盐作为牺牲墨水，一种设计用于失效和移除的仪器，用于设计用于体外疾病建模的微流体装置。这些可灌注设备可用于各种应用，以模拟和研究血管生理学和流体力学、疾病模型、组织组织和功能、治疗性组织工程以及3D细胞培养模型和筛选药物。

在第三种方法中，研究人员通过消除表面张力和重力，利用胶体纳米硅酸盐凝胶作为3D打印的支撑浴。一系列复杂的结构，如分叉血管、股骨、半月板、DNA双螺旋、心脏和三叶瓣被印在支撑槽内。

“纳米硅酸盐的多功能性可以广泛应用于增材制造、组织工程、药物输送和医疗器械领域，”Gaharwar说。