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摘 要：3D生物打印已成为应对器官移植不断增加的新方法。3D生物打印提供许多技术特征，通过构建单个或成群细胞进入特定的部位并伴随许多不同类型的生物支架材料和细胞外基质，从而形成具有功能的生物组织结构，因此，也许可以按需提供具有灵活的个性化人体生物器官。我们将在此对3D生物打印技术的数个关键点进行综述，包括应用潜力和研究进展等。
关键词：3D打印；生物打印；器官移植
手术技术和后期免疫抑制治疗的不断进步，以及供体与配体间更好的免疫匹配，将器官移植变成现代医学的主流做法。为了大幅度的缓解移植器官的短缺问题，科学家和医生必须寻求能够按需生产出可替换的器官培养方法。生物组织的类型和功能以及细胞外基质的结构都具有多样性。因此，按需生产人体生物器官是一项非常艰巨的任务。目前，构建具有合适功能的细胞的技术尚处于起步阶段。微机电系统（MEMS）和微流控技术的发展使得能够构建一个细胞——水凝胶复合材料，然而，多层三维生物组织在大规模生产上仍具有挑战性。三维快速成型技术（RP）代表了大多数的固态3D打印技术，其正在改变商业化生产的格局。最近，开源软件算法和共享控制硬件平台已使该技术变得更加经济实惠。3D生物打印技术和3D RP技术具有相似的原理，都是获得所需的细胞类型及其所需的细胞外基质，为随后产生可移植的生物器官做准备。但是，相较于传统的3D RP技术而言，3D生物打印需要不同的产生要求，且在生产制造过程中具有全新的挑战。大部分人类器官起源于软组织结构（甚至是密质骨也不例外），因此水凝胶与支架材料的生物相容性就类似于软组织的细胞外基质与微观组织结构，并可以连同细胞一起打印出。在打印过程中应该也能保证细胞活力和空间的精准度，而不必复制数量庞大、功能复杂的人体器官。
目前已有的几种制造3D生物组织的方法包括：在打印3D网格期间，通过高粘度的挤压技术，新型水凝胶前体生物材料可以通过推挤堆积形成以层-层结构（通过凝胶化）形成的固体聚合物。在这种情况下，高粘度的水凝胶前体使得打印分辨率较低且实体支撑结构可能会引起机械不相容性。为了克服这些难题，有人通过高精度机器人将微组装的细胞——水凝胶聚合物“小球”（包含上千个细胞）置入3D结构。每个细胞——水凝胶聚合物约半毫米，可形成不同的空间格局，但其相对比较大的尺寸阻止了小脉管系统和流体通过的集成，而这却是内分泌系统和泌尿系统所必须复制的结构。因此，最通用的技术可能是从“真”3D生物打印方法中被发现的，该方法的相变水凝胶前体是在纳升大小的液滴中打印，并立即凝胶化以保持三维结构。这种方法被用来打印大于15层且包含细胞的水凝胶，并可内嵌流体通道以及建立血管网络。该技术也被应用于打印某种结构，可随时间释放神经细胞分化迁移所需的可溶性细胞生长因子。这些技术都还在高速发展中，预期将在不久的未来为医疗提供更好的服务。3D生物打印的重要性在于打印/分配细胞（在悬浮液中）的能力以及底层支架材料和细胞外基质。喷墨打印是基于气泡喷射或压点式喷射点胶机制，已进行初步的探索。据报道，一种激光打印技术中，细胞可通过高强度聚焦激光加热水凝胶，进而从装载细胞的水凝胶表面喷射出去。基于激光的打印方法是孔口——游离，因此打印黏性材料时具有更大的灵活性。基于微阀的打印技术也在被使用，温和的气压（<10磅）被予以细胞悬浮液或液相水凝胶前体，而流道的超高速机械门控（数百微秒量级）被用来打印纳升大小的液滴。通过调整细胞悬浮液的密度，选择气压和持续时间，预定数量的细胞可被打印在靶基板上。单一细胞的打印，尽管在3D生物打印中没有进行证实，也是有可能通过基于MEMS的单一细胞分选和装载进行打印的。
3D生物打印是一种极为重要且前沿的生物技术，已取得了众多瞩目的科研成果及技术突破，这些硕果使得我们在未来数年内实现定量生产具有个体化特征的人体器官变得触手可及。相信在不久的未来，3D生物打印技术还会应用的更为广泛，涉及到我们生活的方方面面，如制药、美容、服装等等。
参考文献：
[1] Murphy SV，Atala A.3D bioprinting of tissues and organs.Nat Biotechnol，2014，32（8）：773-85.
[2] Pati F，Jang J，Ha DH， et al. Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink，Nat Commun 2014，5：3935.
[3] Marga F， Jakab K， Khatiwala C， et al. Toward engineering functional organ modules by additive manufacturing.Biofabrication 2012，4（2）：022001.
[4] Lee W，Debasitis JC，Lee VK，et al. Multi-layered culture of human skin fibroblasts and keratinocytes through three-dimensional freeform fabrication.Biomaterials 2009，30（8）：1587-95.
关键词：3D打印；生物打印；器官移植
手术技术和后期免疫抑制治疗的不断进步，以及供体与配体间更好的免疫匹配，将器官移植变成现代医学的主流做法。为了大幅度的缓解移植器官的短缺问题，科学家和医生必须寻求能够按需生产出可替换的器官培养方法。生物组织的类型和功能以及细胞外基质的结构都具有多样性。因此，按需生产人体生物器官是一项非常艰巨的任务。目前，构建具有合适功能的细胞的技术尚处于起步阶段。微机电系统（MEMS）和微流控技术的发展使得能够构建一个细胞——水凝胶复合材料，然而，多层三维生物组织在大规模生产上仍具有挑战性。三维快速成型技术（RP）代表了大多数的固态3D打印技术，其正在改变商业化生产的格局。最近，开源软件算法和共享控制硬件平台已使该技术变得更加经济实惠。3D生物打印技术和3D RP技术具有相似的原理，都是获得所需的细胞类型及其所需的细胞外基质，为随后产生可移植的生物器官做准备。但是，相较于传统的3D RP技术而言，3D生物打印需要不同的产生要求，且在生产制造过程中具有全新的挑战。大部分人类器官起源于软组织结构（甚至是密质骨也不例外），因此水凝胶与支架材料的生物相容性就类似于软组织的细胞外基质与微观组织结构，并可以连同细胞一起打印出。在打印过程中应该也能保证细胞活力和空间的精准度，而不必复制数量庞大、功能复杂的人体器官。
目前已有的几种制造3D生物组织的方法包括：在打印3D网格期间，通过高粘度的挤压技术，新型水凝胶前体生物材料可以通过推挤堆积形成以层-层结构（通过凝胶化）形成的固体聚合物。在这种情况下，高粘度的水凝胶前体使得打印分辨率较低且实体支撑结构可能会引起机械不相容性。为了克服这些难题，有人通过高精度机器人将微组装的细胞——水凝胶聚合物“小球”（包含上千个细胞）置入3D结构。每个细胞——水凝胶聚合物约半毫米，可形成不同的空间格局，但其相对比较大的尺寸阻止了小脉管系统和流体通过的集成，而这却是内分泌系统和泌尿系统所必须复制的结构。因此，最通用的技术可能是从“真”3D生物打印方法中被发现的，该方法的相变水凝胶前体是在纳升大小的液滴中打印，并立即凝胶化以保持三维结构。这种方法被用来打印大于15层且包含细胞的水凝胶，并可内嵌流体通道以及建立血管网络。该技术也被应用于打印某种结构，可随时间释放神经细胞分化迁移所需的可溶性细胞生长因子。这些技术都还在高速发展中，预期将在不久的未来为医疗提供更好的服务。3D生物打印的重要性在于打印/分配细胞（在悬浮液中）的能力以及底层支架材料和细胞外基质。喷墨打印是基于气泡喷射或压点式喷射点胶机制，已进行初步的探索。据报道，一种激光打印技术中，细胞可通过高强度聚焦激光加热水凝胶，进而从装载细胞的水凝胶表面喷射出去。基于激光的打印方法是孔口——游离，因此打印黏性材料时具有更大的灵活性。基于微阀的打印技术也在被使用，温和的气压（<10磅）被予以细胞悬浮液或液相水凝胶前体，而流道的超高速机械门控（数百微秒量级）被用来打印纳升大小的液滴。通过调整细胞悬浮液的密度，选择气压和持续时间，预定数量的细胞可被打印在靶基板上。单一细胞的打印，尽管在3D生物打印中没有进行证实，也是有可能通过基于MEMS的单一细胞分选和装载进行打印的。
3D生物打印是一种极为重要且前沿的生物技术，已取得了众多瞩目的科研成果及技术突破，这些硕果使得我们在未来数年内实现定量生产具有个体化特征的人体器官变得触手可及。相信在不久的未来，3D生物打印技术还会应用的更为广泛，涉及到我们生活的方方面面，如制药、美容、服装等等。
参考文献：
[1] Murphy SV，Atala A.3D bioprinting of tissues and organs.Nat Biotechnol，2014，32（8）：773-85.
[2] Pati F，Jang J，Ha DH， et al. Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink，Nat Commun 2014，5：3935.
[3] Marga F， Jakab K， Khatiwala C， et al. Toward engineering functional organ modules by additive manufacturing.Biofabrication 2012，4（2）：022001.
[4] Lee W，Debasitis JC，Lee VK，et al. Multi-layered culture of human skin fibroblasts and keratinocytes through three-dimensional freeform fabrication.Biomaterials 2009，30（8）：1587-95.