深度：3D生物打印在泌尿外科的應(yīng)用

作者：呂建林  
來(lái)源：醫(yī)學(xué)鏡界

1. 簡(jiǎn)介
對(duì)泌尿組織和器官的損害，如創(chuàng)傷,、腫瘤、先天性畸形,、產(chǎn)傷和衰老,，仍然是一個(gè)主要的臨床挑戰(zhàn)。全世界器官短缺和供體稀缺為異體組織移植的替代方案敲響了警鐘,。然而,，在傳統(tǒng)的組織工程中，仍然存在明顯的問(wèn)題,，例如細(xì)胞分布不均勻,，結(jié)構(gòu)完整性喪失以及較厚和較厚的組織血管化困難[1，2],。作為一種潛在的解決方案,，3D生物打印可以克服與組織工程相關(guān)的一些上述挑戰(zhàn)。一方面,，3D生物打印將使人們更好地了解病理機(jī)制,，并有利于發(fā)現(xiàn)早期干預(yù)的新療法。另一方面,，3D生物打印可以刺激人體的自然器官和組織取代那些終末期或嚴(yán)重的泌尿科疾病[3],。

三維打印在1990年代首次被描述，在泌尿外科的所有領(lǐng)域中都有越來(lái)越多的應(yīng)用,。最初,，3D打印技術(shù)開(kāi)始影響泌尿外科領(lǐng)域，從創(chuàng)建用于醫(yī)療培訓(xùn),、手術(shù)計(jì)劃和患者教育的3D模型到制造植入物和個(gè)性化假肢[4,，5，6],。3D打印的泌尿模型在圖1.

用于培訓(xùn)和教育的三維打印泌尿外科模型：（a）3D打印前列腺癌模型[7];（b）3D打印腎癌模型[8];（c）3D打印睪丸模型[9];（d） 3D打印膀胱模型[10];（e）3D打印的熱塑性彈性體（TPC）尿道子宮托模型[11];（f）3D打印前列腺模型[12],。

用于醫(yī)療用途的器官和精確組織模型的短缺導(dǎo)致了3D生物打印的誕生,。從廣義上講，與直接生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的3D打印可以被視為3D生物打印,。大多數(shù)估計(jì)表明,，在不久的將來(lái)，全球3D生物打印市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)1億美元[13,，14],。如圖2表明，3D生物打印是基于計(jì)算機(jī)3D模型結(jié)合幾種細(xì)胞,，支架和生物分子,，并根據(jù)分配“生物墨水”功能和環(huán)境打印所需的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品[15，16],。目前,，根據(jù)不同的原型原理和打印材料，3D生物打印技術(shù)主要分為三種類(lèi)型,，包括噴墨3D生物打印,，微擠出3D生物打印和激光輔助3D生物打印。每種技術(shù)都有其技術(shù)特征,，如表1 ,。

3D生物打印過(guò)程的示意圖。

表1：當(dāng)前常見(jiàn)的3D生物打印技術(shù)的比較,。

2. 3D生物打印的方法

2.1. 微擠出 3D 生物打印
微擠出生物打印是基于生物墨水液滴物理擠出原理而獲得所需3D結(jié)構(gòu)的最廣泛使用的生物打印方法[15,，16]。用于此類(lèi)印刷的生物材料通常固定在基材上的微型噴嘴孔或微針孔中,。然后,，通過(guò)氣動(dòng)壓力、柱塞壓力或螺桿壓力引起的協(xié)調(diào)擠出運(yùn)動(dòng)形成連續(xù)長(zhǎng)絲的流體和分散,。此外,，該方法可以打印具有高生物相容性的各種“生物墨水”，并具有打印解剖學(xué)多孔結(jié)構(gòu)的潛力,。然而,，這種技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，例如印刷精度有限和印刷過(guò)程中活性較低[21,，22],。

2.2. 噴墨 3D 生物打印
噴墨3D生物打印作為一種非接觸式打印過(guò)程，其中生物墨滴根據(jù)3D模型的要求落在打印載體表面上的特定位置,。噴墨打印的優(yōu)點(diǎn)包括總體成本低,、打印速度快和分辨率高[14],。盡管如此,，仍存在一些局限性,，包括液滴大小不均、無(wú)序以及頻繁的噴嘴堵塞[18,，19],。

2.3. 激光輔助生物打印
激光輔助生物打印（LAB）使用單色脈沖或連續(xù)激光能量將液滴形式的生物材料從供體載玻片轉(zhuǎn)移到收集載玻片,，從而產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)[13],。迄今為止，飛秒激光已經(jīng)開(kāi)發(fā)了動(dòng)物細(xì)胞水凝膠的超快激光誘導(dǎo),。LAB無(wú)需噴嘴即可打印所有細(xì)胞類(lèi)型,，不會(huì)造成細(xì)胞堵塞，細(xì)胞密度接近生理組織或器官的生物墨水;因此,，該方法的細(xì)胞存活率和分辨率相當(dāng)可觀,。然而，臨床應(yīng)用受到易污染吸收層和高成本的限制,。

3. 3D生物打印的生物墨水
用于3D生物打印的材料稱(chēng)為“生物墨水”,。不同組織或器官的不同性質(zhì)具有特定的ECM，具有不同的組成,，支持細(xì)胞生長(zhǎng)和功能,。ECM是組織和器官的非細(xì)胞支架框架，代表細(xì)胞生存,、增殖,、遷移或修飾其表型的環(huán)境生態(tài)位[25，26,，27],。因此，研究人員必須在3D生物打印過(guò)程中再現(xiàn)天然組織和器官的各種ECM,，常用的打印油墨是脫細(xì)胞ECM,，水凝膠和3D多孔生物支架。每種生物墨水的組成,、分類(lèi)和特性在表2.

表2：目前常見(jiàn)的3D生物打印生物墨水的比較,。

3.1. 去細(xì)胞化 ECM
天然來(lái)源的ECM是最適合人類(lèi)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的打印材料，因?yàn)樗�的環(huán)境與正常的組織結(jié)構(gòu)和微環(huán)境相似,。去細(xì)胞化細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）去除細(xì)胞成分和一些小分子或抗原;因此,，它比天然來(lái)源的ECM具有更好的生物相容性，降解性和免疫原性,。此外,，dECM保留了組織或器官的大部分天然結(jié)構(gòu)和組成，例如生長(zhǎng)因子,、多糖和天然蛋白質(zhì),，這些對(duì)促進(jìn)血管生成和細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化至關(guān)重要,，為細(xì)胞提供強(qiáng)大的機(jī)械支撐和合適的生存環(huán)境[28]。

在現(xiàn)有研究中,，dECM生物墨水的一個(gè)主要來(lái)源來(lái)自豬[29,，30，31],。大鼠和山羊的組織和器官,，如脂肪組織、心臟和肝臟,，是dECM生物墨水的其他來(lái)源[32,，33，34],。然而,，需要指出的是，幾種病毒基因組被整合到動(dòng)物基因組中,，這使得動(dòng)物組織和器官的使用成為一種風(fēng)險(xiǎn)[35],，這需要我們注意。此外,，一些研究小組使用尸體和捐獻(xiàn)的人體部位作為dECM的來(lái)源,，用于移植物發(fā)育[36，37,，38],。人體脂肪組織也被認(rèn)為是dECM生物墨水和干細(xì)胞的不錯(cuò)選擇，通常接受吸脂術(shù)的患者可以脂肪組織的形式產(chǎn)生大量醫(yī)療廢物,，這些廢物可以轉(zhuǎn)化為有用的生物材料[39],。最近的研究還表明，植物來(lái)源的組織因其相互作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),、大表面積,、不同程度的親水性和優(yōu)越的機(jī)械性能而適合組織工程中的血管化[40]。

脫細(xì)胞過(guò)程可以通過(guò)幾種化學(xué),、生物和物理方法制備[41,，42]。氫氧化銨,，洗滌劑,，SDS，酸和堿是一些廣泛使用的化學(xué)試劑,。去垢劑通過(guò)透化和溶解細(xì)胞膜來(lái)裂解細(xì)胞,，而酸和堿則溶解細(xì)胞質(zhì)成分并破壞核酸[43，44],。生物學(xué)方法包括用酶（如蛋白酶和核酸酶）和螯合劑處理組織,。蛋白酶,，如胰蛋白酶，裂解肽并破壞細(xì)胞-基質(zhì)粘附,。核酸酶（如DNA酶和RNase）催化脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸鏈的水解裂解[41，45],。物理方法主要旨在誘導(dǎo)壓力或溫度的快速變化以破裂細(xì)胞,，例如高靜水壓力，超臨界二氧化碳和凍融循環(huán)[46],。無(wú)論如何,，脫細(xì)胞過(guò)程必須溫和，以避免損壞ECM的組成,。

3.2. 水凝膠

水凝膠材料一般是松散交聯(lián)的高分子材料,，固體含量少，內(nèi)部含水量大,。其3D結(jié)構(gòu)和生物物理特性（形狀,、機(jī)械強(qiáng)度和滲透性）與天然來(lái)源的ECM相似[47]。它目前通過(guò)3D生物打印廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域,，包括皮膚傷口修復(fù)[48,，49，50],，骨損傷[51,，52，53],，軟骨損傷[54,，55，56]和心臟康復(fù)[57,，58,，59，60],。

水凝膠主要分為兩種：天然高分子水凝膠和合成水凝膠,。天然聚合物水凝膠，包括明膠,、膠原蛋白和透明質(zhì)酸,，具有高生物相容性、適度生物降解性,、低免疫原性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[60],。與天然聚合物水凝膠相比，合成水凝膠的生物相容性較差,，但機(jī)械性能更好,。

人們對(duì)具有顯著科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步的響應(yīng)式水凝膠越來(lái)越感興趣,。反應(yīng)性水凝膠是暴露于特殊的外部刺激后能改變其理化性質(zhì)并對(duì)其作出反應(yīng)的水凝膠之一[63，64],，具有可逆性,、自我修復(fù)和再生的功能，使其很好地適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境,。目前,，敏感水凝膠廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和材料領(lǐng)域，包括制備負(fù)載阿霉素（DOX）的pH響應(yīng)水凝膠用于治療癌癥,，溫度響應(yīng)水凝膠用于制造傷口修復(fù)中的3D生物打印材料,，以及葡萄糖響應(yīng)水凝膠用于治療糖尿病足[65，66].此外,，由于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，病變環(huán)境多樣，單反應(yīng)水凝膠在某些病理?xiàng)l件下無(wú)法完全滿足治療預(yù)期[67],，例如腫瘤引起的氧化應(yīng)激和pH下降,，這涉及多種條件的變化。此外,，這也是為什么近年來(lái)多種響應(yīng)水凝膠受到越來(lái)越多的關(guān)注,，例如溫度/pH雙響應(yīng)水凝膠和pH/氧化還原雙響應(yīng)水凝膠[68]。

3.3. D 多孔生物支架

與dECM和傳統(tǒng)水凝膠相比,，多孔生物支架在3D生物打印方面具有更顯著的優(yōu)勢(shì),。由于它們的表面互連的多孔結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了更大的表面積，允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),，廢物和生物因子的大量運(yùn)輸,，并且還促進(jìn)了更廣泛的細(xì)胞遷移和滲透[69]。目前有許多研究試圖將3D多孔支架應(yīng)用于組織工程,，例如骨再生[70,，71]。盡管它們有許多潛在的治療應(yīng)用,，但由于缺乏解耦其結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間復(fù)雜相互作用的方法,，尚未對(duì)3D多孔生物支架中的細(xì)胞行為進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械生物學(xué)研究[72，73],。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，Jiang等人發(fā)現(xiàn)，冷凍保護(hù)劑DMSO可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍凝膠3D多孔支架制造過(guò)程中的冰晶形成來(lái)控制孔徑[72],，并且支架的剛度受聚合物冷凍凝膠過(guò)程中交聯(lián)度的調(diào)節(jié),。他們選擇成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞來(lái)研究機(jī)械反應(yīng)性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架孔徑和剛度的單獨(dú)控制。此外,，他們探索了皮下植入后對(duì)這些生物物理微調(diào)多孔支架的體內(nèi)細(xì)胞反應(yīng),，我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了支架在提高再生醫(yī)學(xué)治療效果方面的潛在應(yīng)用。

4.各泌尿生殖器官三維打印

力學(xué)正在成為幾種疾病和病理學(xué)的關(guān)鍵標(biāo)志,。疾病中發(fā)生的機(jī)械變化和組織狀態(tài)異常不僅對(duì)診斷很重要,，而且對(duì)組織工程和體外模型中此類(lèi)疾病的概括也很重要。關(guān)于活組織,，幾個(gè)力學(xué)參數(shù)具有臨床意義,，剛度被認(rèn)為是研究中生物組織最重要和描述最好的力學(xué)參數(shù)之一。很明顯,，與周?chē)�的健康�?shí)質(zhì)相比，腫瘤形成,，衰老和代謝疾病可導(dǎo)致纖維化和僵硬增加,。新出現(xiàn)的信息表明，該機(jī)械參數(shù)的改變與腎纖維化和癌癥,、睪丸癌,、膀胱癌、前列腺癌和不孕癥相關(guān)疾病和惡性腫瘤的進(jìn)展有關(guān)[74,，75,，76]。這些信息為3D打印提供了新的策略,。

近年來(lái),，三維打印技術(shù)將科學(xué)進(jìn)步帶入泌尿外科領(lǐng)域的臨床實(shí)踐，在手術(shù)計(jì)劃,、住院醫(yī)師培訓(xùn),、患者教育方面提供了一些優(yōu)勢(shì)，并促進(jìn)了按需創(chuàng)建患者特定的醫(yī)療設(shè)備,、植入物或假體,。其中，3D打印在泌尿科領(lǐng)域最常見(jiàn)的應(yīng)用是創(chuàng)建特定于患者的3D打印解剖和病理模型,，因?yàn)樗鼈兛梢詢?yōu)化術(shù)前手術(shù)計(jì)劃,，更好地理解外科醫(yī)生對(duì)病變，并最終改善患者預(yù)后[77],。具有3D打印器官模型的醫(yī)患溝通模式有助于泌尿科醫(yī)生獲得患者同意,。Wake等人進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查得出結(jié)論，術(shù)前3D打印模型有助于患者了解他們的病情和手術(shù)目的[7],。三維打印模型還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)尸體和動(dòng)物訓(xùn)練在泌尿外科模擬中的一些空白,，為完善居民的專(zhuān)業(yè)技能提供了低風(fēng)險(xiǎn)、低成本的機(jī)會(huì)[78]。

一些研究也證明了3D打印模型對(duì)機(jī)器人手術(shù)訓(xùn)練的有用性[5,，79],。Bendre等人在機(jī)器人腎盂成形術(shù)模擬中使用基于3D硅的腎臟模型，使用基于80D硅膠的腎臟模型,，使用全球機(jī)器人技能評(píng)估（GEARS）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估住院醫(yī)師在訓(xùn)練前后的表現(xiàn)[81],。此外，結(jié)果發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后深度感知,、手術(shù)速度和信心都有顯著改善,。此外，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都是以標(biāo)準(zhǔn)化的形狀和尺寸組合制造的,，這通常不能為每個(gè)患者提供最合適的產(chǎn)品,。三維打印允許為不同的患者創(chuàng)建用于手術(shù)的醫(yī)療設(shè)備、儀器和工具[<>],。

5. 三維生物打印在泌尿組織工程中的應(yīng)用

泌尿系統(tǒng)由前列腺,、腎臟、輸尿管,、膀胱和尿道組成,，是人體代謝產(chǎn)物最關(guān)鍵的排泄途徑之一，調(diào)節(jié)水和鹽代謝和酸堿平衡,，產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì),，對(duì)維持人體內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定起著重要作用。泌尿系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和功能缺陷的患者需要手術(shù)修復(fù)和重建甚至器官移植,。然而,，與破壞性手術(shù)不同，泌尿系統(tǒng)的重建手術(shù)的特點(diǎn)是難度,，風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥發(fā)生率更高,。反過(guò)來(lái)，器官移植與供應(yīng)不足,、免疫抑制反應(yīng)和并發(fā)癥等問(wèn)題有關(guān),。這促使臨床醫(yī)生和科學(xué)家開(kāi)發(fā)新療法，以改善需要器官和組織置換的主要疾病患者的生活質(zhì)量[82,，83],。

三維生物打印不僅可以從組織結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)確構(gòu)建受影響區(qū)域的精確模型，還可以打印各種不同的功能細(xì)胞,，細(xì)胞外基質(zhì),，細(xì)胞生長(zhǎng)因子和可生物降解的聚合物支持材料。該技術(shù)甚至可以重建血管和神經(jīng),，實(shí)現(xiàn)自體組織的最大解剖復(fù)位[84],。此外,，移植替代品可以通過(guò)3D打印根據(jù)患者的個(gè)體差異進(jìn)行定制，達(dá)到個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療的目的,。目前,，該方法已應(yīng)用于骨修復(fù)、軟骨修復(fù),、心臟修復(fù)和骨盆修復(fù),，并取得了可喜的效果;因此，越來(lái)越多的研究人員正試圖將3D生物打印與泌尿系統(tǒng)的修復(fù)和重建相結(jié)合[85,，86,，87]。在本節(jié)中,，我們介紹了3D生物打印在膀胱,，尿道，睪丸,，陰道和腎臟的修復(fù)和重建中的一些最新研究和應(yīng)用,。本綜述中討論的3D泌尿生物打印的最新工作摘要載于表3.此外，還展示了由3D生物打印制造的不同泌尿結(jié)構(gòu),，組織和器官的幾個(gè)例子圖3.

通過(guò)3D生物打印制造的不同泌尿組織和器官的例子：（a）3D生物打印的膀胱模型[97];（b） 3D打印的兔尿道[91];（c）3D生物打印的脫細(xì)胞陰道支架[92];（d）3D生物打印睪丸水凝膠支架[98];（e）3D生物打印的大鼠仿生腎血管支架[96],。

表3：泌尿外科3D生物打印項(xiàng)目,，其打印技術(shù)和生物墨水制備,。

5.1. 膀胱的三維生物打印
使用3D打印技術(shù)可以將正常的膀胱組織構(gòu)建成細(xì)胞支架，并最終可以通過(guò)細(xì)胞增殖在體外創(chuàng)建定制的人工膀胱[99,，100],。泌尿外科領(lǐng)域目前對(duì)膀胱的3D生物打印進(jìn)行了相對(duì)良好的研究。Anthony等人將88名脊髓滑脫患者的尿上皮和肌肉細(xì)胞植入由膠原蛋白和聚乙醇酸復(fù)合物組成的可生物降解膀胱形支架上[<>],，然后重建自體工程膀胱結(jié)構(gòu)并將其植入部分患者的大網(wǎng)膜包裹中,。手術(shù)后尿道和腎功能恢復(fù)，沒(méi)有代謝后果,。此外,，工程化膀胱活檢顯示出足夠的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和表型，可用于需要閉鎖成形術(shù)的患者,。

Chae等人開(kāi)發(fā)了一種膀胱模擬平臺(tái),，該平臺(tái)使用膀胱特異性dECM生物墨水和3D生物打印技術(shù)結(jié)合收縮釋放系統(tǒng)（CRS），復(fù)制了實(shí)際人類(lèi)膀胱的平滑肌功能[98],。如圖4A,，B表明，它改善了體外3D膀胱組織的生物學(xué)功能,，可作為人類(lèi)疾病建模和藥物測(cè)試基礎(chǔ)研究的研究平臺(tái),。Baumert等人將尿路上皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞接種到小腸的球形粘膜下（SIS）基質(zhì)中，然后將它們轉(zhuǎn)移到大網(wǎng)膜中，獲得膀胱體內(nèi)生物反應(yīng)器[101],。結(jié)果表明,，與體外生物反應(yīng)器相比，這種負(fù)載大網(wǎng)膜的體內(nèi)膀胱生物反應(yīng)器可使種子支架在體內(nèi)成熟,，血管形成豐富,，在膀胱重建中具有廣闊的應(yīng)用前景。它的制造和植入工藝在圖4c.

(a） 體外3D生物打印膀胱模型系統(tǒng)示意圖,。經(jīng)參考文獻(xiàn)[98]許可轉(zhuǎn)載;（b）不同形狀的3D生物打印膀胱的過(guò)程,。經(jīng)參考文獻(xiàn)[98]許可轉(zhuǎn)載;（c） 3D生物打印和體內(nèi)膀胱生物反應(yīng)器植入的程序。經(jīng)參考文獻(xiàn)[101]許可轉(zhuǎn)載,。

尿路上皮細(xì)胞（UC）在尿路上提供強(qiáng)大的通透性屏障,，保護(hù)下面的組織免受尿液有毒成分的侵害。尿路上皮受損會(huì)導(dǎo)致幾種常見(jiàn)的泌尿系統(tǒng)疾病,，例如尿道損傷或狹窄,、間質(zhì)性膀胱炎、膀胱過(guò)度活動(dòng)癥和膀胱癌,。Wang等人證明,，分化尿液來(lái)源的干細(xì)胞（USC）來(lái)源的尿路上皮將為研究間質(zhì)性膀胱炎、過(guò)度活動(dòng)癥,、神經(jīng)源性膀胱梗阻性膀胱炎提供極好的平臺(tái)[102],。

然而，在所有可用于自體移植的患者中,，沒(méi)有足夠的健康尿路上皮和光滑細(xì)胞,。雖然來(lái)自骨髓、脂肪組織和骨骼肌組織的間充質(zhì)干細(xì)胞也可以是泌尿系統(tǒng)中自體移植細(xì)胞的潛在來(lái)源;這些細(xì)胞更難誘導(dǎo)分化成尿路上皮細(xì)胞,。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，Yang等人使用兔模型，發(fā)現(xiàn)兔尿來(lái)源的干細(xì)胞具有很高的增殖和多能分化潛力,，可以很容易地從尿液或膀胱沖洗液中分離出來(lái)[103],，從而減少了侵入性收獲的需求和成本。他們還發(fā)現(xiàn),，兔細(xì)胞在形態(tài),、生化特性和分化能力方面與人尿源干細(xì)胞相似，這也為治療尿道狹窄或尿道缺陷患者提供了可能的方向,。

5.2. 尿道的三維生物打印
尿道從膀胱內(nèi)孔開(kāi)始,，到尿道外口結(jié)束，負(fù)責(zé)排出體內(nèi)尿液,。尿道重建組織工程類(lèi)似于膀胱重建,，因?yàn)樗鼈兌际鞘褂脧幕颊呋顧z中提取的細(xì)胞并附著在合成或天然生物支架上實(shí)現(xiàn)的,。不同節(jié)段的尿道結(jié)構(gòu)相似，其中平滑肌細(xì)胞和上皮細(xì)胞起著關(guān)鍵作用,。很少有再生研究可以區(qū)分尿道的不同部分,。

Atlantida Raya-Rivera等人成功地用自體細(xì)胞構(gòu)建了工程尿道，并將其植入尿道缺陷患者體內(nèi)[89],。該研究包括五名患有尿道缺陷的男孩,。首先，通過(guò)恥骨上截骨術(shù)對(duì)每位患者進(jìn)行活檢以獲得組織切片,，培養(yǎng)這些切片以提取肌肉和上皮細(xì)胞,。然后，他們將這些細(xì)胞植入管狀聚乙醇酸上：聚（乳酸-共乙醇酸）支架,。之后,，患者接受了組織工程化的尿道管重建，研究人員對(duì)這些患者進(jìn)行了72個(gè)月的隨訪,。連續(xù)X線片和內(nèi)窺鏡研究表明,，尿道口徑保持寬，沒(méi)有狹窄,。尿道活檢顯示,，工程移植物在植入后3個(gè)月出現(xiàn)正常外觀。此外,，他們發(fā)現(xiàn)工程尿道在結(jié)構(gòu)上是正常的,，沒(méi)有異常的組織學(xué)變化，并且在臨床環(huán)境中保持功能長(zhǎng)達(dá)6年,。

Huang等人使用明膠海綿制備了一種新型3D多孔細(xì)菌纖維素（BC）支架,，以干擾BC發(fā)酵過(guò)程,，并將來(lái)自舌粘膜的兔舌角質(zhì)形成細(xì)胞接種到支架上植入兔體內(nèi)[90],。結(jié)果表明，該支架與兔舌角質(zhì)形成細(xì)胞具有生物相容性,，可在很大程度上促進(jìn)尿道組織再生而不會(huì)引起炎癥反應(yīng),，證實(shí)了舌角化細(xì)胞的3D多孔BC可能是尿道重建的有前景的替代支架。Zhang等人發(fā)現(xiàn),，由PCL和PLCL聚合物制成的多孔螺旋支架具有高滲透性[91],，他們的尿道3D生物打印過(guò)程呈現(xiàn)在圖5.研究表明，PCL和PLCL聚合物制成的支架多孔螺旋支架的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能接近天然兔尿道,，從而促進(jìn)了打印的上皮細(xì)胞與支架兩側(cè)平滑肌細(xì)胞的接觸,。更重要的是，裝有水凝膠的膀胱上皮和平滑肌細(xì)胞為細(xì)胞生長(zhǎng)提供了更好的微環(huán)境,。這些結(jié)果為未來(lái)3D生物打印尿道的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

兔尿道的三維生物打印過(guò)程：（a） 使用聚合物和含有細(xì)胞的水凝膠進(jìn)行3D生物打印;（b） 3D生物打印的兔尿道模型;（c） 用聚合物噴嘴對(duì)支架部件進(jìn)行3D生物打印;（d） 尿道模型中的水凝膠正在交聯(lián);（e） 培養(yǎng)基中的尿道模型;（f） 帶有兩個(gè)注射器的3D生物打印機(jī),。經(jīng)參考文獻(xiàn)[91]許可轉(zhuǎn)載。

然而,，大多數(shù)用于泌尿器官重建的管狀膠原支架通常缺乏徑向和可逆擴(kuò)張的能力,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Versteegden等人生產(chǎn)了一種具有固有徑向彈性的新型膠原蛋白管狀支架[92],。他們利用管狀空心器官腔內(nèi)折疊的原理,，通過(guò)使用星形心軸、3D打印夾具和細(xì)胞相容性進(jìn)行原位固定來(lái)引入形狀恢復(fù)效果,。在準(zhǔn)備好的支架中有一個(gè)閉合的靜止管腔,，當(dāng)腔壓增加時(shí)，例如當(dāng)液體通過(guò)時(shí),，管腔可以以星形打開(kāi),。一般來(lái)說(shuō)，這種支架的產(chǎn)生對(duì)泌尿系統(tǒng)中管狀器官的再生具有重要意義,。

5.3. 睪丸的三維生物打印
對(duì)睪丸3D生物打印技術(shù)的研究相對(duì)較少,。對(duì)于睪丸發(fā)育不全、雙側(cè)睪丸小和嚴(yán)重雙側(cè)睪丸萎縮的患者,，其治療基于自體或同種異體移植,。一些研究表明，用于兒童癌癥治療的化療和放療可以不可逆轉(zhuǎn)地影響成年期的生育能力,，冷凍保存的未成熟睪丸組織移植（ITT）可能是恢復(fù)這組年輕男孩生育能力的一種有希望的策略,，因?yàn)榍啻浩谇暗哪行圆粫?huì)產(chǎn)生精子。然而,，無(wú)論采用何種冷凍保存方法,，ITT移植后精原細(xì)胞的數(shù)量均顯著減少[72]。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，Poels等人將ITT嵌入裝有VEGF納米顆粒的水凝膠中,，并通過(guò)免疫組織化學(xué)評(píng)估了生精小管的完整性、造血重建和精子恢復(fù)[93],。結(jié)果表明,，含有納米顆粒生長(zhǎng)因子的海藻酸鹽水凝膠具有顯著較高的精子恢復(fù)率，在組織移植方面具有促進(jìn)冷凍保存的潛力,。

一些研究表明,，睪丸支架可能是構(gòu)建人工睪丸和保持患者生育能力的替代方法。Zahra等人通過(guò)對(duì)RAMS的睪丸組織碎片進(jìn)行去細(xì)胞化并將提取的T-ECM與藻酸鹽和明膠相結(jié)合,，打印了睪丸水凝膠支架[99],。然后，他們表征了支架的形態(tài),、機(jī)械性能和生物學(xué)特性,。結(jié)果表明,，含5%ECM的水凝膠是最適合睪丸細(xì)胞培養(yǎng)的支架，細(xì)胞粘附性強(qiáng),，對(duì)精原干細(xì)胞具有較高的細(xì)胞生物相容性,。這種支架可作為制備人工睪丸的仿生材料，在生殖醫(yī)學(xué)中可能具有一定的應(yīng)用意義,。移植后膠原蛋白支架提供高生物相容性,，沒(méi)有任何炎癥跡象，完全符合臨床使用要求,。進(jìn)行更多的研究以確認(rèn)進(jìn)一步限制精子丟失的方法非常重要,，同時(shí)證明其分化能力。

5.4. 陰道的三維生物打印
對(duì)于先天性缺席,、陰道閉鎖,、陰道狹窄或損傷一直遭受巨大心理和身體疼痛的患者，迫切需要陰道重建,。傳統(tǒng)的陰道重建技術(shù)使用非陰道組織,，其形態(tài)和組織學(xué)與正常陰道非常不同，因此細(xì)胞活力低和結(jié)構(gòu)粗糙,。幸運(yùn)的是,，3D生物打印有望解決這些問(wèn)題。Hou等人將含有15%明膠和3%海藻酸鈉的豬無(wú)細(xì)胞陰道基質(zhì)（AVM）轉(zhuǎn)化為生物墨水,，并表征了其粘度和形態(tài)[94],。此外，研究人員隨后將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞嵌入3D支架中,，并將其移植到大鼠體內(nèi),。結(jié)果表明，仿生三維陰道組織表現(xiàn)出良好的上皮化,、血管化和生物相容性,。

5.5. 腎臟的三維生物打印
腎臟成對(duì)扁豆形器官，紅褐色,，位于腹膜后脊柱兩側(cè)的淺窩中,。該器官由超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)腎臟單位組成,，每個(gè)單位由三部分組成：腎小球,、腎囊和腎小管。腎臟的基本功能是產(chǎn)生尿液以清除體內(nèi)的代謝物和某些廢物和毒素,，并通過(guò)重吸收保留水和其他有用物質(zhì),，以調(diào)節(jié)水和電解質(zhì)平衡，維持酸堿平衡,。腎臟還具有內(nèi)分泌功能,，產(chǎn)生腎素,、促紅細(xì)胞生成素、活性維生素D3,、前列腺素等,。然而，由于飲食問(wèn)題,、尿路感染和處方藥使用增加,，急性或慢性腎臟疾病的發(fā)病率最近正在增加，這繼續(xù)促使研究人員探索腎臟三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,，以改善,、恢復(fù)或替換其部分或全部功能[96，104,，105],。

回旋的近端小管是腎臟中最脆弱的成分之一，因?yàn)榻�端小管參與腎小球?yàn)V液的重吸收和代謝物的分泌,，導(dǎo)致高濃度的藥物代謝物積聚在近端小管中,。Kimberly等人利用3D打印技術(shù)成功地在腎臟體外構(gòu)建了近端小管[95]。這些回旋的近端小管由近端小管上皮細(xì)胞（PTEC）包圍的開(kāi)放管腔結(jié)構(gòu)組成,，嵌入由明膠-纖維蛋白水凝膠制成的細(xì)胞外基質(zhì)中,，并安置在可灌注的組織芯片內(nèi)，在那里它們受到生理剪切應(yīng)力,。掃描電鏡和一系列生化反應(yīng)表明,，這些人工近端小管與正常人近端小管具有基本相同的生理功能。綜上所述,，這些3D打印的小管可用于分析藥物代謝并輔助體外透析,。

Little等人創(chuàng)造了腎臟微器官，為腎細(xì)胞的產(chǎn)生提供了經(jīng)濟(jì)來(lái)源[105],。然而,，需要不斷改進(jìn)大小、結(jié)構(gòu)和功能,，以實(shí)現(xiàn)替代腎組織的目標(biāo),。其中，血管形成是影響植入式3D腎臟構(gòu)建體在體內(nèi)存活和整合的主要障礙之一,。腎臟依靠復(fù)雜的三維血管網(wǎng)絡(luò)來(lái)維持其正常的生理活動(dòng),，但這些網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性質(zhì)使得天然血管的復(fù)制變得困難。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),，Jennifer等人開(kāi)發(fā)了一種基于血管腐蝕鑄造技術(shù)的仿生腎血管支架[98],。他們用10%聚己內(nèi)酯（PCL）灌注大鼠腎臟，然后進(jìn)行組織消化,。腐蝕的PCL的鑄件表面覆蓋著膠原蛋白,，然后將PCL從膠原蛋白涂層內(nèi)去除,，只留下一個(gè)基于中空膠原蛋白的仿生血管支架。之后,，將制備的支架用MS1內(nèi)皮細(xì)胞涂層進(jìn)行血管化,，然后粘合到3D腎臟結(jié)構(gòu)上并植入裸鼠的腎皮層中。結(jié)果表明,，這種新型血管支架有效改善了血管化,，MS1涂層支架中加入人腎細(xì)胞進(jìn)一步增強(qiáng)了植入支架內(nèi)腎小管結(jié)構(gòu)的血管化和再生。因此,，使用這種支架可以極大地解決與血管形成相關(guān)的挑戰(zhàn),，并且可能是慢性腎病患者腎功能部分增強(qiáng)的理想治療策略。

盡管3D生物打印理論上可以生產(chǎn)用于移植的人造腎臟,，但由于與膀胱和尿道相比,，腎臟的組成和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因此該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段,。

6. 挑戰(zhàn)與展望
盡管3D生物打印技術(shù)在過(guò)去幾十年中取得了成就,，但在泌尿外科應(yīng)用中的器官和組織的制造仍然存在許多挑戰(zhàn)。首先,，3D數(shù)據(jù)重建必須準(zhǔn)確,，3D生物打印成本普遍較高，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用,。其次,，培養(yǎng)和獲取種子細(xì)胞進(jìn)行印刷比較困難，需要具有豐富細(xì)胞培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員,。第三,，用于印刷的支撐材料不僅要具有良好的生物相容性和生物力學(xué)性能，還要滿足泌尿系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu)要求,。第四,，需要特殊的3D打印機(jī)和噴嘴來(lái)保持細(xì)胞和細(xì)胞因子的存活。最后,，制備含有血管的功能性3D生物打印組織仍然是3D生物打印面臨的挑戰(zhàn)之一,。因此，需要進(jìn)一步的研究和探索,，以利用3D生物打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì),，并使新的移植替代品可用于臨床。