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域,，狹義上的生物3D打印可以理解為操縱細胞進行體外三維活性結構的組裝,，生物3D打印已經在藥理模型、器官缺損修復,、細胞三維培養(yǎng)等方面取得了諸多進展,。從這一期開始，EFL團隊將在Bio-Design and Manufacturing雜志上以短文形式開設科普專欄,，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,、生物墨水設計、生物3D打印機,、體外病理模型構建,，組織再造等)內涵及研究內容,。本文是第一期，生物3D打印簡要概述,。

1 生物3D打印概念

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

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

2 生物3D打印研究啥呢,？

（1）研究成形過程：不同組織內有不同的細胞種類,，同時細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,，因而設計合適的打印方法實現細胞在三維空間上的精準排布還是很有挑戰(zhàn)性的；

（2）研究活性結構到功能性組織/器官的實現過程：剛打印出來的活性結構類似于鑲嵌的一顆顆水果丁的果凍,，細胞就好比那水果丁,，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部細胞是彼此連接,，能互相溝通及協作的,，故而打印出結構后，還需要經歷一個二次發(fā)育的過程,，通過這個過程細胞建立起聯系,，慢慢擁有體內組織的部分乃至全部的功能。

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

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

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

3 生物3D打印應用

兩大需求驅動生物3D打印的快速發(fā)展: 其一是體外構建更接近人體組織/器官功能的結構，為各種疾病的精準治療及器官發(fā)育及病變機制研究提供比動物實驗更高效的研究手段,。當前生物3D打印研究重點是為各種疾病的精準治療研究提供新的研究手段,。目前疾病的機理探討主要依賴二維的細胞實驗及動物實驗，二維的細胞實驗與人體環(huán)境相距甚遠,，而動物實驗除了成本高、周期長,、重復性不夠理想外,，動物的體內環(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胞及支架材料,，形成接近實際器官組織的結構（術語成為類器官或迷你組織）,，同時其細胞也可采用人類的細胞，恰好可以彌補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)境的構造,、心血管疾病病例探討等領域都有不少報道,，生物3D打印技術在疾病的精準治療中將會有非常廣泛的應用，也是目前就可以很快開展的工作,�,；�于生��3D打印為細胞構建更精準的三維環(huán)境，制造類器官技術可行,，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)細胞二維培養(yǎng)體系（基于培養(yǎng)皿）和體內的三維環(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�,？偟膩碚f器官打印及替換是生物3D打印研究的長期目標,，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