人体组织内细胞环境是典型的非均质环境,包含有种类结构各异的细胞以及细胞外液,具有高度的异质性。高效快速地在体外构造拟体内环境一直是研究热点。凝胶微球作为一种简单对称的结构,被广泛用于细胞包裹、药物释放以及生物传感器等方面。因此,通过异质微球结构来构建体外细胞微环境以及复杂微组织结构值得进行深入探讨。目前在凝胶微球制造方面,研究者通常采用微流控的方法实现微球内部结构的异质性,以实现多组分材料的空间分布。其中常见的异质形态有分区型、核壳型以及非球型等,而对于结构更复杂的凝胶微球的制造则无能为力。同时芯片流道的微小尺寸又很大程度上限制了材料的适用粘度范围以及流体通量,无法广泛用于各种生物材料的大批量微球制造。本文利用生物3D打印技术,根据异质凝胶微球在体外细胞培养与组织打印领域的实际应用需求,针对异质凝胶徵球的梯度制造、快速制造、微成型以及多尺度制造四个具体研究方向开展了基础性细胞打印研究,首次提出了多尺度三维异质分布的螺旋凝胶微球印工艺。在此基础上,分别进行了不同细胞浓度凝胶微球打印、单细胞包裹、可控尺寸细胞微球打印以及球面螺旋分布细胞微球的应用。最后利用血管内皮细胞进行了细胞凝胶微球的体内和体外培养,初步实现了血管化。本文的主要研究内容和工作归纳如下:(1)体外三维培养环境中细胞的浓度分布对细胞的存活以及功能表达具有十分重要的影响。基于海藻酸钠墨水的紊流混合特性,提出了细胞浓度可调的异质凝胶微球成型方法。发明了一种多通道动态微混合打印喷头,利用主动式搅拌实现多组分的快速混合。通过对微混合器混合效率的研究,优化了微混合器的尺寸和工艺参数。利用动态梯度打印实现了凝胶微球内细胞浓度的可调制造,研究了三维培养条件下细胞浓度对细胞存活和增殖的影响,为体外微球内的细胞三维培养提供了实验基础。(2)异质凝胶微球的批量制造以及单细胞包裹在临床应用和基础医学研究方面具有很高的研究价值。本文利用共轴喷射技术,发明了多组分对称式共轴喷头,该喷头包括多组分混合前端以及对称式共轴喷头两部分,优化了喷射过程中共轴气流的稳定性。对打印过程中发现的卫星滴凝胶微球进行了系统性实验,探讨了其用于单细胞包裹的可行性,通过分析喷射工艺参数的影响,提出了其能够用于单细胞包裹的最优方案。使用双组分凝胶墨水进行了喷射打印,并对共轴喷射微球的异质结构进行了表征。最后,通过细胞打印,验证了共轴喷射打印微球中细胞的存活率以及增殖能力。(3)异质凝胶微球的可控尺寸调节能够大大拓宽其应用领域,而目前报导的相关技术则相对较少。利用静电喷射技术设计了分区型异质微球的打印工艺,该方法具有较强的通用性,能集成在原有的生物打印体系当中。通过静电场的作用实现了直径可调的凝胶微球的打印。搭建了基于该方法的凝胶微球生物打印系统,分析了静电场中凝胶微液滴的流体特性和受力情况。通过对电场强度、挤出气压、喷头直径等参数的系列实验,实现了静电喷射凝胶微球可控制造。最后,包裹细胞进行静电喷射打印,实现了不同直径凝胶微球的细胞包裹以及细胞增殖。(4)复杂三维异质结构的凝胶微球能够用于体外复杂微组织的构建,同时也是微球制造领域的一个难题。本文提出了气流辅助旋转的制造工艺,填补了目前异质凝胶微球在内部结构三维可控成型方面的空白。设计并搭建了用于球面螺旋形异质凝胶微球制造的实验平台。针对该工艺中各项工艺参数对成型特征尺寸的影响,进行了理论分析以及系统性实验,实现了螺旋微球的可控成型。最后,通过细胞打印制造了细胞呈螺旋异质分布的凝胶微球,并验证了细胞在微球内的存活和增殖能力。(5)体外组织血管化是组织功能化的前提,利用异质微球实现了体外类器官制造以及体内细胞治疗两个典型应用。首先,使用内皮细胞和骨髓间充质干细胞体外制造了复杂软骨微组织,并实现了内皮细胞在微球内的空间螺旋分布。然后通过体外培养,实现了内皮细胞的血管功能化以及骨髓间充质干细胞的成骨化,完成了复杂软骨模型的体外构建。此外,将能够稳定释放促血管生长因子的细胞包裹于凝胶微球内部,并植入到了局部器官缺血的小鼠体内,最终实现了小鼠缺血下肢的血管再生。