生物3D打印入門概述

來源：EngineeringForLife

生物3D打印是目前正在興起的研究領(lǐng)域,，狹義上的生物3D打印可以理解為操縱細(xì)胞進(jìn)行體外三維活性結(jié)構(gòu)的組裝，生物3D打印已經(jīng)在藥理模型,、器官缺損修復(fù),、細(xì)胞三維培養(yǎng)等方面取得了諸多進(jìn)展,。從這一期開始,，EFL團(tuán)隊將在Bio-Design and Manufacturing雜志上以短文形式開設(shè)科普專欄,，力求簡明扼要的闡述生物3D打印的各個層面(生物3D打印工藝、生物墨水設(shè)計,、生物3D打印機(jī),、體外病理模型構(gòu)建，組織再造等)內(nèi)涵及研究內(nèi)容,。本文是第一期,，生物3D打印簡要概述。

1 生物3D打印概念

從廣義上說服務(wù)于生物醫(yī)療領(lǐng)域的3D打�,。ㄔ霾闹圃欤┚褪巧���3D打印,。嚴(yán)格一些，狹義上說生物3D打印特指操縱活細(xì)胞打印活性三維結(jié)構(gòu)的過程,，也就是所謂的載細(xì)胞打印,，也可稱為細(xì)胞打印，或器官打印,。注意這里的細(xì)胞打印不是打印出新的細(xì)胞,，而是指將細(xì)胞作為打印原料。

由于單純的細(xì)胞無法打印構(gòu)成結(jié)構(gòu),，我們將細(xì)胞與水凝膠混合構(gòu)成所謂的生物墨水,，用生物墨水打印活性結(jié)構(gòu)。這里水凝膠的作用有兩個：作為打印時的黏合劑實現(xiàn)3D成形,，打印后固定細(xì)胞位置并為細(xì)胞提供類體內(nèi)的3D環(huán)境也就是起細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）作用,。

2 生物3D打印研究啥呢？

（1）研究成形過程：不同組織內(nèi)有不同的細(xì)胞種類,，同時細(xì)胞在空間上也存在不同密度的分布,，而生物墨水是一種典型的軟材料,，感覺上接近可以吸的液態(tài)果凍,，因而設(shè)計合適的打印方法實現(xiàn)細(xì)胞在三維空間上的精準(zhǔn)排布還是很有挑戰(zhàn)性的；

（2）研究活性結(jié)構(gòu)到功能性組織/器官的實現(xiàn)過程：剛打印出來的活性結(jié)構(gòu)類似于鑲嵌的一顆顆水果丁的果凍,，細(xì)胞就好比那水果丁,，而水凝膠就是那包裹水果丁的果凍了。而我們真正的組織內(nèi)部細(xì)胞是彼此連接,，能互相溝通及協(xié)作的,，故而打印出結(jié)構(gòu)后，還需要經(jīng)歷一個二次發(fā)育的過程,，通過這個過程細(xì)胞建立起聯(lián)系,，慢慢擁有體內(nèi)組織的部分乃至全部的功能,。

這兩個內(nèi)容都是非常復(fù)雜，很多工作才剛剛展開,，如果說第一個成形的工作已經(jīng)取得了些進(jìn)展的話,，那么第二個功能化的工作才剛剛開始，任重道遠(yuǎn),，萬里長征,，我們才剛剛開始走。

作為一個典型的多學(xué)科交叉研究內(nèi)容,，有太多的問題有待解決,，個人想到的點有：

• 細(xì)胞來源上，安全,，批量,，安全；
• 體外器官模型（類器官）可重復(fù)性及標(biāo)準(zhǔn)化,；
• 大尺寸器官體外重建及長時間體外培養(yǎng),；
• 含外源性細(xì)胞打印組織植入的系列倫理性問題；
• 體外打印組織和體內(nèi)再生的邊界,；
• Printing@clinic?
• 體外能再造出有思考能力的大腦嗎,？
• 活性的生物打印結(jié)構(gòu)能成為臨床產(chǎn)品嗎？
• 器官修復(fù)中那些留給體外打印,，那些留給體內(nèi)再生呢,？
  

3 生物3D打印應(yīng)用

兩大需求驅(qū)動生物3D打印的快速發(fā)展: 其一是體外構(gòu)建更接近人體組織/器官功能的結(jié)構(gòu)，為各種疾病的精準(zhǔn)治療及器官發(fā)育及病變機(jī)制研究提供比動物實驗更高效的研究手段,。當(dāng)前生物3D打印研究重點是為各種疾病的精準(zhǔn)治療研究提供新的研究手段,。目前疾病的機(jī)理探討主要依賴二維的細(xì)胞實驗及動物實驗，二維的細(xì)胞實驗與人體環(huán)境相距甚遠(yuǎn),，而動物實驗除了成本高,、周期長、重復(fù)性不夠理想外,，動物的體內(nèi)環(huán)境與人體也有較大的差異,。由于3D生物打印可以精確的堆疊各種細(xì)胞及支架材料，形成接近實際器官組織的結(jié)構(gòu)（術(shù)語成為類器官或迷你組織）,，同時其細(xì)胞也可采用人類的細(xì)胞,，恰好可以彌補(bǔ)目前常用的兩大實驗方式的缺點。目前生物3D打印在腫瘤模型,、藥物代謝所帶來的肝臟毒性評估,、腸道微環(huán)境的構(gòu)造、心血管疾病病例探討等領(lǐng)域都有不少報道,，生物3D打印技術(shù)在疾病的精準(zhǔn)治療中將會有非常廣泛的應(yīng)用,，也是目前就可以很快開展的工作,。基于生物3D打印為細(xì)胞構(gòu)建更精準(zhǔn)的三維環(huán)境,，制造類器官技術(shù)可行,，目前也亟需，這個工作除了可供藥物評價等外,，類器官還可用于器官病變,、缺損的治療。

生物3D打印將會逐步變成組織工程或生物材料研究的一個基本手段,，畢竟目前常規(guī)細(xì)胞二維培養(yǎng)體系（基于培養(yǎng)皿）和體內(nèi)的三維環(huán)境有不小的差別,。   

其二是器官的體外再造，以解決器官缺損供體不足的問題,。近幾年大尺寸器官的體外重建及長期功能化培養(yǎng)將會成為一個研究重點,。總的來說器官打印及替換是生物3D打印研究的長期目標(biāo),，需要我們腳踏實地的一步步逼近,。

原文下載：Why choose 3D bioprinting? Part I: a brief introduction of 3D bioprinting for the beginners. Bio-Design and Manufacturing 2019，https://doi.org/10.1007/s42242-019-00053-8