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(jīng)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(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(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。

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）研究活性結構到功能性組織/器官的實現(xiàn)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(nèi)部細胞是彼此連接，能互相溝通及協(xié)作的，故而打印出結構后，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。

作為一個典型的多學科交叉研究內(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(nèi)再生的邊界；
• Printing@clinic?
• 體外能再造出有思考能力的大腦嗎？
• 活性的生物打印結構能成為臨床產(chǎn)品嗎？
• 器官修復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(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�；�于生物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(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�？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