★★研究背景★★

      3D生物打印是一种用于组织工程和再生医学的尖端技术，用于创建与自然器官和组织非常相似的复杂组织结构，其中打印过程主要在体外条件下进行。由于器官衰竭、癌症等各种可怕的疾病，这对于人类越来越重要。3D生物打印在生物医学领域的优势包括构建个性化的患者专用药物设计、高精度、低成本以及在短时间内按需创建复杂结构。尽管3D生物打印是一种很有前景的技术，但诸如打印速度和更好的生物墨水以提高细胞存活率和功能等主要障碍仍然存在。因此本文对过去3D生物打印技术的发展及应用进行系统的回顾及总结，继而对未来的3D生物打印技术的发展和可能的应用领域进行展望。

★★文章简介★★

      近年来，由于缺少修复缺失器官和组织所需的生物结构，3D生物打印已成为一种流行的医疗技术。它们在许多领域都有广泛的应用，包括疾病建模、再生医学、组织工程、药物发现与测试、个性化医学、器官开发、毒性研究和植入物研究。3D生物打印需要一系列生物打印技术和生物墨水来完成其程序，最常见的打印技术有喷墨式生物打印、挤压式生物打印，激光辅助生物打印、立体光刻式生物打印和原位生物打印。本文介绍了以生物墨水为原料的不同生物打印方法，并展望了其在不同领域的各种应用。

★★关键创新点★★

1、 通过改进包括层结构和厚度在内的生物打印参数，可能获得更天然的类细胞。

2、 未来研究重点将集中于打印心脏、肝脏和肺等微型器官方面，以便更准确地测试新药物，而无需使用动物作为测试对象。

★★研究内容解读★★

1.3D生物打印技术

      3D生物打印技术的最新进展可能引领未来功能性物品的生物制造，这一过程可以使用不同的方法实现，主要有以下几种：

a） 基于喷墨的生物打印

      基于液滴的生物打印最流行的类型是喷墨生物打印方法，包括连续喷墨、按需喷墨和电动喷墨生物打印。喷墨打印机通过使用热、机械或电磁力在喷嘴后面引起压缩，从“自下而上”滴下生物墨水。其原料主要有水凝胶、粘合剂和粉末、聚合物和小分子。

图1.基于喷墨的生物打印。

b） 基于挤出的生物打印

      基于挤出的打印最广泛应用和最经济的生物打印方法，该方法于2000年代早期推出。这些打印机通过气动或机械系统分散生物墨水，用于制造3D打印结构。在这种方法中，将生物墨水放入打印室，通过喷嘴尖端通过压力挤出，可以制造出大约人指甲厚度的连续细丝。

图2.基于挤出的生物打印。

c） 激光辅助生物打印

      激光辅助生物打印是基于激光脉冲在溶液和含有细胞的玻璃片之间产生高压气泡朝向集合基板。它可以以高分辨率产生具有一系列粘度聚合物的微细胞载体3D结构。激光辅助生物打印的优点包括避免细胞及聚合物生物材料堵塞喷嘴，缺点是激光辅助生物3D打印机的成本高。这种方法主要用于打印自体移植面部手术（整形手术）的皮肤。

图3.激光辅助生物打印。

d） 基于立体光刻的生物打印

      基于立体光刻的生物打印是一种基于光敏高分子（或聚合物）配方的固体自由成型无喷嘴技术，在光固化成型打印过程中可以添加许多生物材料。光固化成型生物打印的优势在于速度和准确性高，其缺点是打印装置成本高以及光和光引发剂的细胞毒性。

图4.基于立体光刻的生物打印。

e） 原位生物打印。

      在临床环境中，直接打印生物墨水以构建或修复缺陷部位的活组织或器官被称为原位生物打印。在3D支架中体外培养细胞是目前制造用于植入的组织的最普遍的方法。机械臂、Arduino单片机、乐视微阀、光源、继电器、计算机和进给设备构成了机械臂打印平台。基座、后臂、前臂和末端执行器组成了机械臂。它由三个步进电机控制，具有三个自由度。研究人员随后专注于在胶原和nHA基质中原位打印MSC，以促进骨损伤和皮肤的再生，同时比较两种替代细胞打印几何形状的效果。与未治疗组和基质治疗组相比，原位皮肤生物打印治疗的开放性伤口显示更快的伤口闭合。

图5.原位生物打印。

2.生物墨水

      3D生物打印最重要的元素之一是生物墨水，它是活细胞、生物材料和生物活性物质的混合物，是产生打印物的基本组成部分之一。生物墨水的关键质量和特征包括可打印性、机械质量、功能性变化、受控生物降解性和对细胞无毒性。生物墨水通常通过将目标活细胞整合到天然或合成生物相容性聚合物基质中，进而制造人工活组织，3D生物打印方法可以使该人工活组织制天然组织的所有特征。最常用的生物墨水有：

a） 琼脂糖基生物墨水

      基于琼脂糖的水凝胶已被研究并用于生物医学应用，如细胞培养、软骨组织工程、药物释放和作为自愈合材料的纤维素结构的3D生物打印。琼脂糖是一种水溶性线性多糖，存在于红藻中，是琼脂的关键成分之一。由于其硬度和官能团，基于琼脂糖的水凝胶可以支持细胞粘附、增殖和活性。除此之外，琼脂糖基支架已被发现适用于组织工程中的生物打印。

b） 海藻酸盐基生物墨水

      海藻酸盐，也被称为海藻酸或海藻酸，是一种由钙、镁制成的低成本生物聚合物，通常使用基于海藻酸的生物墨水进行骨组织的3D生物打印。海藻酸钠离子存在于各种生物体的细胞壁和细胞内空间，是一种无毒、可生物降解、非免疫原性线性多糖，由于其可定制的降解动力学、凝胶化的简单性以及与细胞粘性配体的潜在功能化，它被广泛用作细胞载体、支架和生物墨水。褐藻酸盐溶液表现为低粘度的非牛顿流体，在交联之前，如果不是存放在模具内，则无法形成固定的几何结构，其优异的形状尺寸适应性和可用于支架制造工艺的功能性是其最吸引人的特性之一。

c） 胶原基生物墨水

       胶原蛋白是一种结构蛋白家族，存在于多种组织的细胞外基质（ECM）中，是人体中最普遍的蛋白质。基于胶原的材料显示了生物打印的前景，但也有缺点，因为胶原在低温下保持液态，而在高温或中性pH下形成纤维结构的特点不利于打印。

d） 透明质酸基生物墨水

      透明质酸（HA）具有天然的生物相容性，在调节细胞活动中至关重要，并已用于生物医学应用数十年。HA是人体关节软骨中ECM的主要成分，是软骨再生的一种有前景的材料，此外它是大脑细胞外基质（ECM）最重要的组成部分之一，以其优良的天然生物相容性和调节细胞活动的必要性以及在肿瘤进展和侵袭中的作用而闻名因此它们在3D生物打印过程中被用作生物墨水。

3.生物打印的应用

      3D生物打印最常见的用途之一是作为模型组织，在工业和研究中有广泛的应用。以下是体外条件下3D生物打印领域的一些最新应用。

a） 疾病建模

      3D生物打印，可用于创建人类疾病模型，如心血管疾病、癌症建模和其他基于生物打印技术的体外疾病模型。例如使用三维生物打印技术进行疾病建模，一些研究人员创建了一个生理三维胶质瘤血管生态位模型，以探索这种细胞间的相互作用。有学者指出3D干细胞生物打印技术在心脏病和心力衰竭的疾病建模方面具有巨大潜力。

图6.3D生物打印的主要应用之一是疾病建模。

b） 再生医学

      再生医学将基础细胞生物学与一系列工程策略相结合，包括使用3D生物打印技术，以修复受伤或患病的组织和器官。成像技术、细胞墨水和3D生物打印技术的结合将导致再生医学的新范式，这是一种很有希望的移植替代方案，可以避免供体短缺和免疫问题，包括骨修复、心脏治疗和肌肉再生。

c） 组织工程

      组织工程领域的许多最新突破导致了组织和器官组件的体外构建，为了解决传统方法的局限性，组织工程师使用3D打印技术生产生物支架。在生物医学和组织工程领域，3D生物打印为生物材料、成像、建模和计算技术的集成提供了途径，也为产生适用于体内移植治疗功能衰竭的器官提供了可能。有研究表明在临床上，采用人工骨支架进行骨再生，当缺陷不是很大时，骨骼具有很强的自我修复能力。目前3D生物打印在组织工程中的众多领域发挥了重要作用，比如创建人工骨、神经、血管组织、皮肤和软骨等。

d） 药物开发和测试

      与传统方法相比，生物打印是一种具有高度自动化的高通量制造过程，具有提高药物发现精度、分辨率和精确度的优势。药物发现过程是药物研究的重要组成部分。然而，目前的药物发现方法既费时又昂贵，因此，采用3D生物打印模型进行药物发现和开发是一种简单、经济、省时的方法。在药物治疗期间，可以随时检查由3D生物打印生产的组织，从而能够监测组织特异性生理药物反应，如微血管重排或细胞死亡。尽管目前不可能完全复制人体组织，但3D生物打印的组织等效物仍然比动物药物测试具有更大优势。此外毒性测试，是药物筛选过程中的最重要的筛选程序，可以使用由3D生物打印生产的模型进行评估，这为实现“安全-使用药物”的药物开发和测试提供了更多可能。

e） 个性化医疗

      3D打印在制药行业最令人兴奋的应用之一是能够为个体患者（每个人）定制剂量配方，可根据多种药物患者的具体需求进行定制。例如，3D生物打印允许创建定制的载药贴片，用于水杨酸在皮肤上的痤疮治疗。此外3D生物打印还被用于创建个性化骨移植和用于定制治疗的骨芯片设备。

f） 器官制造

      考虑到器官移植的高需求和器官供体的稀缺性，3D生物打印是一种通过制造完整功能的完整器官（如肾、膀胱、心脏、耳朵等）来解决器官短缺的有效手段。首先需要使用计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和其他方法对组织或器官进行成像以重建3D模型，然后将其转换为计算机格式，然后在生物墨水和其他组件的帮助下使用3D打印方法进行打印。例如，一家名为3D生物治疗的技术公司最近为一名患有先天性小耳畸形的患者打印了一个真实的人耳。小耳畸形是一种罕见的先天性异常，其中耳廓或耳朵的外部部件变形和尺寸过小，也会影响耳朵的听力。据主刀医师阿图罗·博尼拉博士说，由于细胞来自患者自身组织，新耳朵不太可能被人体排斥。

g） 毒性研究

      大量3D生物打印构成的培养系统，包括微阵列，具有不同的ECM成分，已用于各种药物用途，如靶向药物递送、治疗效果或毒性研究。例如有文献经常提到肝毒性，这是药物筛选中的一种毒性研究，因此一些生物打印企业已经开发了用于毒性研究的生物打印组织模型。与2D相比，类有机物和生物打印等3D模型具有更高的生存能力和功能稳定性，它们与体外长期毒性研究的相关性也更加强大。

h） 植入物

      可以使用计算机3D建模软件和患者的神经成像数据，制造患者特定部位解剖结构的模型，进而生产出可植入的3D打印部件。例如，牙科、脊椎和髋部植入物都使用了这种方法。目前，3D打印植入物越来越多地由一系列金属和聚合物制成，最近，活细胞被用于生产植入物。该技术的应用可扩展到可植入医疗设备，包括耳蜗植入物、起搏器和关节置换。此外，3D打印的使用允许在打印过程中精确植入药物，如抗菌、免疫调节或镇痛化合物，这有可能创造一类新的生物活性医疗植入物。最新的3D生物打印植入物是椎间盘（IVD）和主要由纤维软骨制成的膝关节半月板。

      本文讨论了3D生物打印及其相关技术发展。自查尔斯·赫尔（Charles Hull）于1984年发明了3D生物打印技术，它们越来越多地在医疗领域和其他领域有广泛的应用，例如疾病建模、再生医学、组织工程、药物发现和测试、个性化医学、器官开发、毒性研究和植入物研究。

      在未来20年内，用于外科手术的生物打印植入物将成为可能，但在将其用于实际临床环境之前，必须克服许多伦理、法律和技术障碍。通过改进包括层结构和厚度在内的生物打印参数，有可能在进一步研究中获得更天然的类细胞，如角膜基质的密度。未来还应将研究重点集中于打印心脏、肝脏和肺等微型器官方面，以便更准确地测试新药物，而无需使用动物作为测试对象。3D生物打印技术是未来临床药物开发的关键技术。

★★文章出处★★

本文对过去3D生物打印技术的发展及应用进行系统的回顾及总结，继而对未来的3D生物打印技术的发展和可能的应用领域进行展望。于2022年8月23日，以“Prospect and retrospect of 3D bio-printing” 为题发表在Acta Histochemica.

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