3D生物列印是生物工程領域的重要技術，通過將活細胞混入柔性水凝膠（即"生物墨水
"）來列印活體組織，廣泛用於人體組織的建模與替代。然而，列印質量與組織重現性始終面臨挑戰，其中一項核心難題來自一個再普通不過的自然現象——重力。由於細胞比周圍的水凝膠重，它們會自然沉降至生物印表機注射器的底部。
麻省理工學院組織工程學Eugene Bell職業發展教授、機械工程助理教授Ritu Raman解釋道："在列印大型組織時，長時間的列印過程會加劇細胞沉降，導致噴嘴堵塞、細胞分布不均，以及列印組織之間的不一致性。現有解決方案，如在將生物墨水裝入印表機前手動攪拌，或使用被動混合器，均無法在列印過程中持續維持均勻性。"
2月2日，Raman團隊在期刊《Device》上發表了一項新研究，提出一種新方法，旨在通過在列印過程中主動防止細胞沉降，從根本上解決這一核心難題，從而實現更可靠、生物學特性更一致的3D列印組織。
麻省理工學院機械工程系博士後、該研究第一作者Ferdows Afghah表示："精確控制生物墨水的物理和生物特性，是重現天然組織結構與功能的關鍵。"
Raman補充道："如果我們能列印出更接近人體組織的模型，就可以用它來深入研究人類疾病，或測試新治療藥物的安全性與有效性。"此類模型有助於研究人員逐步減少對動物實驗的依賴，與美國食品藥品監督管理局（FDA）近期推動開發更快速、低成本、高效能的安全性與有效性評估新方法的方向不謀而合。
Raman表示："我們的最終目標是探索再生醫學應用，例如用3D列印組織替代人體內病變或受損組織，幫助恢復健康功能。"
MagMix是一款磁驅動混合裝置，由兩部分組成：一個能放入生物印表機注射器內的小型磁性螺旋槳，以及一塊連接電機、可在注射器附近上下移動的永磁鐵，用於控制螺旋槳在注射器內的運動。這套緊湊系統可安裝在任何標準3D生物印表機上，在不改變生物墨水配方、不干擾印表機正常運行的前提下，持續保持生物墨水的均勻混合狀態。
研究團隊通過電腦仿真設計出最優螺旋槳幾何形狀與轉速，並通過實驗驗證了其性能。
Raman介紹："在多種生物墨水類型的測試中，MagMix能夠在超過45分鐘的連續列印過程中防止細胞沉降，有效減少堵塞並保持細胞高存活率。值得關注的是，我們的研究表明，可以通過調整混合速度來平衡不同生物墨水的均勻化效果，同時將對細胞的應力降至最低。作為概念驗證，我們還展示了利用MagMix列印的細胞在數天內可分化成熟為肌肉組織。"
通過在長時間或複雜列印任務中保持細胞均勻分布，MagMix能夠製造出生物功能更一致的高質量組織。該設備結構緊湊、成本低廉、可定製，且易於集成到現有3D印表機中，為從事疾病建模、藥物篩選和再生醫學研究的實驗室和企業提供了一種通用性強、易於普及的解決方案。
本項研究得到麻省理工學院安全、健康與環境探索實驗室（SHED）的部分支持。該實驗室致力於提供基礎設施與跨學科專業資源，幫助將生物製造創新成果從實驗室規模推進至可量化、可重現的實際應用。
SHED創始主任Tolga Durak表示："在SHED，我們專注於加速將創新方法轉化為研究人員可靠使用的實用工具。MagMix充分體現了技術基礎設施與跨學科支持的有機結合，如何推動生物製造技術走向規模化的現實應用。"
SHED的參與折射出一個更宏觀的願景：通過提供先進設備的平等獲取渠道、促進跨學科協作，強化工程學與生命科學領域在可重現性與可及性方面的技術路徑。
Durak補充道："隨著該領域向更大規模、更標準化系統推進，SHED這樣的綜合性實驗室對於建立可持續能力至關重要。我們的目標不僅是推動發現，更要確保新技術能夠被可靠地採用並長期維持。"
研究團隊還對工程組織的非醫學應用抱有濃厚興趣，例如利用列印肌肉驅動更安全、更高效的"生物混合"機器人。
相關論文《利用主動原位磁力混合提升擠出式3D生物列印中生物墨水的均勻性》現已發表於期刊《Device》。
Q&A
Q1：MagMix是什麼？它是怎麼解決細胞沉降問題的？
A：MagMix是一款磁驅動混合裝置，由放入注射器內的磁性螺旋槳和外部電機驅動的永磁鐵組成。列印過程中，永磁鐵上下移動帶動螺旋槳旋轉，持續攪拌生物墨水，防止細胞因重力沉降至底部。測試顯示，MagMix可在超過45分鐘的連續列印中保持細胞均勻分布，同時不影響細胞存活率。
Q2：MagMix對現有3D生物印表機有哪些要求？改造成本高嗎？
A：MagMix設計緊湊，可直接安裝在任何標準3D生物印表機上，無需改變生物墨水配方，也不會干擾印表機的正常運行。研究團隊表示該設備成本低廉、可定製，適合實驗室和企業廣泛使用，整體改造門檻較低。
Q3：MagMix除了醫學用途，還有哪些應用方向？
A：除疾病建模、藥物篩選和再生醫學（如替代病變組織）等醫學應用外，研究團隊還對非醫學方向感興趣，包括利用MagMix列印的肌肉組織驅動"生物混合"機器人，有望開發出更安全、更高效的新型機器人系統。
