生物3D打印-從形似到神似

作者： 賀永，文/EngineeringForLife

應浙大學報邀請，對生物3D打印做了一個綜述性的回顧，給出了一些關于生物3D打印個人的觀點，以期能拋磚迎玉。有興趣看全文可直接下載（論文題目：生物3D打印-從形似到神似）。 11 生物3D打印_從形似到神似_賀永.pdf (1.77 MB, 下載次數(shù): 167)

2018-12-3 18:08 上傳

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另外，我也寫了一本生物3D打印的書（生物3D打�。簭尼t(yī)療輔具制造到細胞打印，華中科技大學出版社，預計12月份出版），有興趣的到時可看看哈。關于生物3D打印的一些概括性問題總結(jié)回答如下：

一、生物3D打印到底研究啥？
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�物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(jié)構(gòu)的過程，也就是所謂的載細胞打印，也可稱為細胞打印。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(gòu)成結(jié)構(gòu)，我們將細胞與水凝膠混合構(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，打印后固定細胞位置并為細胞提供類體內(nèi)的3D環(huán)境也就是起細胞外基質(zhì)（ECM）作用。

生物3D打印研究內(nèi)容包括：

（1）研究成形過程：不同組織內(nèi)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(xiàn)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(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。

二、生物3D打印可實現(xiàn)器官打印并用于器官替換了？

我每次做報告以及和其他研究方向的學者交流時，都會被問到這個問題，也常會看到一些報道，大概意思就是生物3D打印已經(jīng)能實現(xiàn)肝、腎等器官體外制造，馬上器官短缺的問題就可以解決了。

我個人觀點：雖然目前也有一些相關嘗試，但總體而言還有生物3D打印實現(xiàn)器官替換還有很長的路要走。從結(jié)構(gòu)及形態(tài)上說人體器官遠比我們想象的要復雜的多，此外器官的生長發(fā)育機制等機理上還有很多問題有待揭開。目前報道的所謂肝打印、腎打印等研究其實更多的是實驗室再現(xiàn)了器官眾多功能中的一到兩個而已。

三、生物3D打印是噱頭，只是玩概念？

和前一個觀點正好相反，有些學者就直言不諱的和我說，生物3D打印就是炒個概念，又不能實現(xiàn)器官的替換，有啥用。

個人觀點：目前生物3D打印研究重點：其一為各種疾病的精準治療研究提供新的研究手段、其二為各種機制研究提供更接近于人體的環(huán)境。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(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胞及支架材料，形成接近實際器官組織的結(jié)構(gòu)（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(gòu)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。

總的來說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，目前而言基于生物3D打印為細胞構(gòu)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。

我的觀點是：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(nèi)的三維環(huán)境有不小的差別。

四、生物3D打印門檻很高，很難掌握？
生物3D打印聽起來很神秘，是機械、生物、醫(yī)學及材料的多學科交叉，從事這個研究會不會很難。

個人觀點：這個方向的研究的確有一定的門檻，總體而言這個研究需要醫(yī)學及機械學科密切合作才能有較好的進展，這個研究在機械學科屬于生物制造的研究范疇，在醫(yī)學學科屬于組織工程分支，在材料學科屬于生物材料分支。相對來說機械學科入門更難一點，因為基本的細胞相關概念及實驗條件都需要從零開始建起來。

我當年的知識儲備就是高中學過的生物課程，不夸張的說連細胞是啥樣子都不明白，至于細胞培養(yǎng)及后續(xù)的功能評價等更是兩眼一抹黑，我們花了兩年時間補充最基礎的入門知識，組織工程人很司空見慣的事情我們都要摸索很久，還好挺過來了。

當然對做組織工程或生物材料的課題組來說，采購生物3D打印機，并掌握一些工程化的方法，就可快速入門。生物3D打印機有很貴的，多功能復合的，也有便宜的、走專用及定制化思路的。從發(fā)揮設備效率、易用性角度而言，我建議組織工程或生物材料背景的課題組采購專用及定制化思路的生物3D打印機。

國內(nèi)研究還有一個誤區(qū)就是，以為購買了昂貴的設備就萬事大吉，事實上我見過很多課題組購置了一百多萬的生物3D打印機，使用效率卻很低。究其根本原因是設備的功能不能充分利用，此外更缺乏一個懂生物3D打印工藝的團隊輔助指導。哈哈順便做個廣告，我們課題組在蘇州智能制造研究院產(chǎn)業(yè)化的小型、專用、便攜式的生物3D打印機就是為組織工程或生物材料背景課題組所設計的，我們不光能提供生物3D打印機，更重要的是可提供從生物墨水到具體應用全流程的指導。

五、建一個生物3D打印實驗室價格很昂貴？
基礎的生物3D打印實驗室并不是很貴，一個完整的生物3D打印實驗室，需要細胞培養(yǎng)室及細胞培養(yǎng)箱、細胞凍存設備、顯微鏡等檢測設備、生物3D打印機、生物墨水配置工具等。一個基本的生物3D打印實驗室大概60-80萬就可以搞定。如果是組織工程或生物材料背景的課題組，估計就添置幾臺生物3D打印機就差不多了，30到40萬元就可添置兩到三臺生物3D打印機。

來源： EngineeringForLife