生物3D打印路線圖重磅發(fā)布 （想了解它的現(xiàn)在與未來，看這一篇就夠了）

來源：上普生物

近期，生物3D打印領(lǐng)域一眾大咖們在本領(lǐng)域知名期刊Biofabrication上發(fā)表文章生物3D打印路線圖（The Bioprinting Roadmap），從生物3D打印的各個層面提出目前現(xiàn)狀、存在的問題與未來的可能路徑。無論您想全面了解生物3D打印，還是試圖探索本領(lǐng)域的新方向，看這一篇就夠了。

IOP官方下載量已破5000，當(dāng)之無愧開年最火生物3D打印綜述。

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本文共11個小節(jié)，每一節(jié)由一位或多位行業(yè)資深學(xué)者撰寫。全文近萬字，滿滿干貨，閱讀時間大約需要20-30分鐘，可收藏慢讀，文末更有英文原文下載鏈接。

本文的全部作者

為方便大家查閱，特在此列出簡要目錄，幫助大家定向閱讀。

1. 關(guān)于生物3D打印
2. 從細(xì)胞增殖到細(xì)胞打印
3. 生物墨水的開發(fā)
4. 干細(xì)胞的3D打印
5. 細(xì)胞團(tuán)簇與類器官的大規(guī)模高效生產(chǎn)
6. 血管系統(tǒng)和組織構(gòu)建的策略
7. 用于疾病研究的體外生物學(xué)模型
8. 器官芯片的開發(fā)
9. 多細(xì)胞工程生命系統(tǒng)
10. 太空上的生物3D打印
11. 生物3D打印工藝


關(guān)于生物3D打印
作者：Wei Sun
美國爵碩大學(xué)終身講席教授
Biofabrication主編
上普生物首席科學(xué)家

生物3D打印作為生物制造的核心技術(shù)，其運(yùn)用細(xì)胞、蛋白質(zhì)、生物材料等作為構(gòu)造單元，以構(gòu)建生物學(xué)模型、生命系統(tǒng)和治療產(chǎn)品。作者從構(gòu)造單元層面上提出了生物3D打印的五個階段：

第一個階段是無生物相容性材料的打印，如樹脂、塑料等，主要用于外科手術(shù)設(shè)計(jì)模型或是牙科手術(shù)規(guī)劃；

第二個階段是打印具有生物相容性但不能降解的材料，如金屬，主要用于不可降解的假肢移植物；

第三個階段是打印具有生物相容性可降解的材料，如可降解的高分子材料，例如骨組織工程支架、人造皮膚修復(fù)體以及心臟支架等；

第四個階段是打印活性細(xì)胞，這類材料可以用來構(gòu)建體外生物學(xué)模型、藥理/病理模型、器官芯片等；

第五個階段是打印類器官，如人工的生命系統(tǒng)、微型生理系統(tǒng)、細(xì)胞機(jī)器人等

生物3D打印的五個階段

作者指出，雖然生物3D打印在近幾年蓬勃發(fā)展，但是從技術(shù)層面仍然有幾大限制：

1. 生物墨水：我們?nèi)孕杈哂卸喙δ苄�、對�?xì)胞友好的墨水用于生物打印

2. 打印工藝：我們需要更好的工藝和打印機(jī)，來制造高存活率和高精度兼顧的模型

3. 交聯(lián)技術(shù)：我們?nèi)孕韪�快、更�?qiáng)的交聯(lián)劑，來保證打印體完整性和穩(wěn)定性

4. 細(xì)胞培養(yǎng)：我們需要借助微流控技術(shù)來制造更長期的生理模擬系統(tǒng)

本文涉及生物3D打印領(lǐng)域各個分支研究方向，包括細(xì)胞增殖、生物墨水開發(fā)、干細(xì)胞打印、類器官生產(chǎn)、血管構(gòu)建、體外模型、器官芯片、多細(xì)胞工程生命系統(tǒng)、太空生物打印與生物3D打印工藝。

生物3D打印隨著這幾年各領(lǐng)域人才的通力合作，已經(jīng)在各個應(yīng)用領(lǐng)域都有很有深度的發(fā)展和演變。這也是本篇文章的宗旨：旨在通過提供各領(lǐng)域權(quán)威專家分享的現(xiàn)狀和建議，為各位研究人員未來研究提出建設(shè)性意見。

從細(xì)胞增殖到細(xì)胞打印
作者：Binil Starly，Edward P Fitts：美國北卡羅萊納州立大學(xué)

生物3D打印目前的常規(guī)流程往往從細(xì)胞培養(yǎng)開始，所以細(xì)胞擴(kuò)增成為了生物制造過程中極為關(guān)鍵的上游工藝�；�于生物反應(yīng)器的細(xì)胞擴(kuò)增方法有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法�，F(xiàn)有的生物反應(yīng)器系統(tǒng)來自于疫苗或抗體的生產(chǎn)工藝，然而當(dāng)活細(xì)胞作為反應(yīng)器的最終產(chǎn)物時，該系統(tǒng)需要更精密的設(shè)計(jì)。

作者提出目前的細(xì)胞培養(yǎng)存在以下幾點(diǎn)問題：

1. 目前細(xì)胞培養(yǎng)普遍采用2D的培養(yǎng)皿進(jìn)行培養(yǎng)，但是如果需要收獲數(shù)量可觀的細(xì)胞以實(shí)現(xiàn)用于治療用途的生物3D打印，2D的培養(yǎng)形式需要較大的空間，十分不方便。

2. 目前市場上的生物反應(yīng)器缺乏實(shí)時跟蹤細(xì)胞分化時的狀態(tài)，細(xì)胞在反應(yīng)器內(nèi)處于“黑匣子”狀態(tài)，研究人員難以判斷。

3. 由于生物3D打印往往會應(yīng)用病人自身的細(xì)胞，常規(guī)的細(xì)胞培養(yǎng)流程可能難以適用。

4. 在裝入生物3D打印機(jī)前的細(xì)胞操作是缺乏監(jiān)控的，容易造成細(xì)胞狀態(tài)的變化。

針對上述問題，作者提出以下技術(shù)路線的建議：

1. 細(xì)胞培養(yǎng)平臺與細(xì)胞增殖生物反應(yīng)器相結(jié)合，以提升細(xì)胞產(chǎn)量和速度

2. 多種傳感器需要在反應(yīng)器中應(yīng)用，以確認(rèn)細(xì)胞狀態(tài)、數(shù)量等

3. 需要建立數(shù)據(jù)模型以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞狀態(tài)、形態(tài)等特征的共享

總得來說，隨著新技術(shù)的加持，下一代細(xì)胞培養(yǎng)需要更高效、更自動化、更智能。

生物墨水的開發(fā)
作者：AndrewC Daly，Jason A Burdick：美國賓夕法尼亞大學(xué)
Jürgen Groll：德國維爾茨堡大學(xué)

生物3D打印所使用的材料被稱為“生物墨水”，隨著行業(yè)的發(fā)展，生物墨水這個概念已經(jīng)得到了極大了延伸。作者提出，生物3D打印實(shí)質(zhì)上是將生物墨水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程，其流變性能以及生物相容性是成功打印的關(guān)鍵。

作者提出目前的生物墨水存在以下幾點(diǎn)問題：
1. 研發(fā)出具有可打印性的生物材料
2. 打印前后可以保持細(xì)胞活性
3. 可以提供適合細(xì)胞行為的細(xì)胞微環(huán)境

總的來說，如何平衡打印性、細(xì)胞活性和功能是生物墨水開發(fā)的一大難題，同時細(xì)胞增殖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也是要考慮的要點(diǎn)。

微擠出式打印工藝是目前最常用的打印工藝，其通過擠出外力（氣動或電動）將材料通過噴嘴擠出成連續(xù)的絲材，并堆積成結(jié)構(gòu)。例如GelMA這類光敏墨水在擠出后通過藍(lán)光或紫外光進(jìn)行固化交聯(lián)；又如一些剪切變稀材料，可以在擠出過程中直接實(shí)現(xiàn)流變性能的轉(zhuǎn)化。

激光光刻式打印工藝（如SLA、DLP等）因其高精度而被廣泛使用，然而其打印大尺寸材料所需時間較長，所以如何保證細(xì)胞活性是一大難點(diǎn)。

1. 開發(fā)新型的復(fù)合生物3D打印工藝，針對墨水的不同交聯(lián)方式，復(fù)合打印工藝，實(shí)現(xiàn)分步交聯(lián)，達(dá)到打印目的。例如，通過透明針尖打印HAMA與GelMA的混合材料，進(jìn)行原位打印；或是通過同軸噴頭打印海藻酸鈉類材料，以實(shí)現(xiàn)快速交聯(lián)。

2. 開發(fā)適用于現(xiàn)有打印工藝的新型墨水，如懸浮膠的設(shè)計(jì)可以用于打印低黏度材料如PVA；亦或是新型剪切變稀水凝膠的開發(fā)。

新型生物墨水全方位提高打印體的可能性

總之，墨水的開發(fā)與工藝息息相關(guān)，二者的研究同步進(jìn)行才能取得突破性成果。未來的研究應(yīng)著眼于生物墨水如何控制細(xì)胞行為，以主動協(xié)調(diào)細(xì)胞，快速實(shí)現(xiàn)功能性組織成熟。

干細(xì)胞的3D打印
作者：Gregor Skeldon, Wenmiao Shu：英國思克萊德大學(xué)

干細(xì)胞是一類具有無限的或者永生的自我更新能力的細(xì)胞、能夠產(chǎn)生至少一種類型的、高度分化的子代細(xì)胞。干細(xì)胞的研究十分具有現(xiàn)實(shí)意義和潛力，所以研究者們開始嘗試生物打印干細(xì)胞。

作者提出目前的干細(xì)胞打印存在以下幾點(diǎn)問題：

1. 干細(xì)胞，特別是多功能干細(xì)胞非常脆弱敏感。由于打印過程的剪切應(yīng)力較大，所以干細(xì)胞在打印過程中容易死亡，特別是高黏度的材料打印。

2. 生物墨水的配置對于干細(xì)胞來說至關(guān)重要，一方面干細(xì)胞需要足夠的營養(yǎng)和養(yǎng)分通道，需要生物墨水具有多孔空隙；另一方面要形成三維結(jié)構(gòu)，需要生物墨水提供支撐，而空隙會降低其力學(xué)支撐性能。所以墨水的設(shè)計(jì)需要在這兩者中找到平衡。

3. 在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可控的干細(xì)胞分化是一大生物學(xué)難題，另外如何實(shí)現(xiàn)組織級細(xì)胞密度也是打印干細(xì)胞是需要解決的問題。

作者提出目前幾種技術(shù)可以幫助研究者克服上述難題：

1. 人體胚胎干細(xì)胞（hESCs）或人體誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞（hiPSCs）可以通過微閥噴射的方式打印或是激光誘導(dǎo)正向傳輸（LIFT）方法避免針頭的使用以降低剪切應(yīng)力。

2. 有些研究者通過在墨水中添加粘附肽或是生物活性凝膠如Matrigel，羧甲基殼聚糖（CMC）等以增強(qiáng)干細(xì)胞的細(xì)胞存活率、功能性和強(qiáng)度。

3. 墨水中加入犧牲墨水如羧甲基殼聚糖（CMC）可以增強(qiáng)干細(xì)胞打印體中的孔隙率，方便營養(yǎng)物質(zhì)的流通和干細(xì)胞的分化。

同時，作者提出，打印出干細(xì)胞離臨床、工業(yè)應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的距離，干細(xì)胞的使用還會引發(fā)畸形瘤的潛在危險(xiǎn)，所以產(chǎn)業(yè)化涉及規(guī)模、質(zhì)量控制等方方面面�？偟膩碚f，由于干細(xì)胞的生物學(xué)功能還未徹底的研究投產(chǎn)，生物打印干細(xì)胞還有許多難題需要克服，不過隨著新的打印方法和材料的應(yīng)用，相信這些難題可以迎刃而解。

細(xì)胞團(tuán)簇與類器官的大規(guī)模高效生產(chǎn)
作者：Yasuyuki Sakai，Marie Shinohara，Masaki Nishikawa：日本東京大學(xué)

類器官（Organoids）由于其極好的生理學(xué)相似性，被應(yīng)用在微組織的構(gòu)建和研究中。然而，類器官的應(yīng)用有諸多現(xiàn)實(shí)的問題。

類器官的生產(chǎn)往往是靜態(tài)培養(yǎng)，由分離的單細(xì)胞的在特定空間內(nèi)重新聚集開始，這樣的方式可以輕松控制高均勻性的類器官尺寸，但這一方法不適合大規(guī)模生產(chǎn)。從規(guī)�；�角度來看，團(tuán)簇懸浮生物反應(yīng)器是比較適合的方法。然而使用這種懸浮培養(yǎng)，控制、誘導(dǎo)和保存類器官要比靜態(tài)培養(yǎng)困難得多，所以如何能將可靠性和生產(chǎn)規(guī)模結(jié)合起來，是一個難題。

靜態(tài)培養(yǎng)（a）與懸浮培養(yǎng)（b）

另一個問題在于生產(chǎn)類器官所使用的昂貴的生長因子，在體內(nèi)環(huán)境中，生長因子由基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生和作用，而在類器官中，我們需要持續(xù)高濃度的生長因子供應(yīng)，這無疑提高了整個生產(chǎn)成本。

在靜態(tài)培養(yǎng)中，類器官擴(kuò)散受限于氧氣供應(yīng)。于是作者提出使用透氧性材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）用于培養(yǎng)，可以顯著增強(qiáng)細(xì)胞間組織和ECM產(chǎn)量。ECM產(chǎn)量的增多進(jìn)一步提升了細(xì)胞團(tuán)簇的密度。同時，使用透氧性材料可以保持氧氣濃度，保證細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸。在懸浮培養(yǎng)中，異質(zhì)細(xì)胞的團(tuán)簇是難以形成的，不過通過某些分子的添加（如Eudragit），可以加強(qiáng)細(xì)胞的附著性。

另一個高效生產(chǎn)的方向是高密度團(tuán)簇培養(yǎng)，補(bǔ)料分批透析培養(yǎng)來源于傳統(tǒng)的化學(xué)工程，是理想的的高效生產(chǎn)方法。這一方法可以增加細(xì)胞密度，清除出代謝產(chǎn)物，并通過激發(fā)旁分泌和自分泌有效降低生長因子的成本。

使用透氧性材料培養(yǎng)（a）與補(bǔ)料分批透

總之，目前類器官和細(xì)胞團(tuán)簇的大規(guī)模高效量產(chǎn)是一個亟需解決的問題，而作者相信隨著對細(xì)胞自主性的進(jìn)一步理解，有助于解決上述問題。

血管系統(tǒng)和組織構(gòu)建的策略
作者：Jinah Jang，Dong-Woo Cho：韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)

人類的血管系統(tǒng)為人體器官提供各類養(yǎng)分，以維持人體的體內(nèi)平衡。作者提出，生物打印重要的是如何將細(xì)胞按特定方式進(jìn)行組合，打印后以誘導(dǎo)其自組裝，從而逐漸形成組織。多噴頭生物3D打印技術(shù)的提出可以有效幫助血管化的實(shí)現(xiàn)，通過不同內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建出小尺寸血管通路。

雖然我們在技術(shù)上有所突破，但當(dāng)制造組織級的結(jié)構(gòu)，諸多問題還是需要克服的。例如打印過程的剪切應(yīng)力、生長因子、如何提供生理學(xué)微環(huán)境都是目前的限制因素，作者還特別提到了打印結(jié)構(gòu)和循環(huán)系統(tǒng)或是自身系統(tǒng)的端對端連接也是維持打印體的重要因素，也是目前的一大難點(diǎn)。

為應(yīng)對以上的問題，作者提出模塊化的生物打印體可以作為突破的方向。根據(jù)不同的血管化策略（如自組裝、犧牲通道等方法）和血管尺寸（如分叉角度、曲折率等），將內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞團(tuán)簇和生物墨水等通過生物3D打印的方法搭建出結(jié)構(gòu)體，輔以ECM生物墨水和同軸噴頭的應(yīng)用，可以協(xié)助血管通道的快速形成，以構(gòu)建出血管化組織。

作者提出，自動化生物3D打印技術(shù)可以源源不斷的提供細(xì)胞、功能以及所需的微環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)大尺寸組織的構(gòu)建，隨著工藝不斷進(jìn)步，相信我們距離臨床治療和病理研究會有更深層次的理解和應(yīng)用。

用于疾病研究的體外生物學(xué)模型
作者：Minghao Nie，Shoji Takeuchi：日本東京大學(xué)

在藥物研究中，研究人員往往需要精準(zhǔn)調(diào)控的體外三維細(xì)胞模型來準(zhǔn)確判斷藥物反應(yīng)。生物3D打印概念的提出，讓這樣的體外模型成為可能。

作者從兩個案例中討論3D打印體外生物學(xué)模型存在的問題：

1. 皮膚的多層屏障的作用是控制外用藥物的從表皮層到真皮層下毛細(xì)血管的透皮遞送。例如化妝品的毒性檢測需要測量其中有害物質(zhì)從皮膚到血液中的滲透量。為了可以實(shí)現(xiàn)這一功能，體外的皮膚模型應(yīng)該具有分化完好的表皮層、由沉積膜構(gòu)成的表皮-真皮屏障、成纖維細(xì)胞填充的真皮層和內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成的內(nèi)皮層。目前技術(shù)所制造的皮膚模型由成纖維細(xì)胞填充的膠原蛋白晶格（FPCL）的收縮構(gòu)成，但是尚未實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管進(jìn)入FPCL之中，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定毛細(xì)血管灌注的FPCL是下一步皮膚模型構(gòu)建的難點(diǎn)。

2. 受力形變較大是骨骼肌和心肌組織的一大特點(diǎn)，而由于跟腱結(jié)構(gòu)的缺失，3D打印的組織收縮運(yùn)動往往較小，同時，目前缺乏加入神經(jīng)細(xì)胞的肌肉組織，以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的體外肌肉組織模型。

作者提出，通過混合3D打印非生命部件如高分子或電極和細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以解決以上的技術(shù)難題，通過將兩者的優(yōu)點(diǎn)相融合，實(shí)現(xiàn)具有刺激和反饋的組織結(jié)構(gòu)。例如在皮膚模型中，加入可以犧牲的尼龍線材已形成血管網(wǎng)絡(luò)；亦或是在構(gòu)建肌肉模型中，通過3D打印柱陣充當(dāng)錨碇系統(tǒng)，并在此之間打印肌肉細(xì)胞，以達(dá)到更大收縮力。

具有血管通路的皮膚模型

具有錨碇系統(tǒng)的肌肉組織

總的來說，生物3D打印是一個十分靈活的技術(shù)，可以根據(jù)應(yīng)用的不同，調(diào)整技術(shù)細(xì)節(jié)，以達(dá)到“為我所用”的目標(biāo)。

器官芯片的開發(fā)
作者：Serge Ostrovidov，Ali Khademhosseini：美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校

器官芯片（Organ-On-A-Chip）是將微流控系統(tǒng)和生物細(xì)胞相結(jié)合，體外研究其生物學(xué)關(guān)系的方法。這種方法優(yōu)于常規(guī)的組織培養(yǎng)模型，并可以提供藥物篩選數(shù)據(jù)和器官間關(guān)系的復(fù)雜生理狀況。目前我們可以成功制作內(nèi)皮細(xì)胞芯片、心肌細(xì)胞芯片、腫瘤芯片等各種器官芯片，其最終形態(tài)是將各器官的芯片組合起來形成人體的體外模型。

作者提出，從芯片角度來說，細(xì)胞如何在體外實(shí)現(xiàn)功能性是一個難點(diǎn)。同時，由于藥物檢測時往往要研究各器官的關(guān)系，一個可以為所有器官提供營養(yǎng)的培養(yǎng)基也是需要的。并且，在器官芯片上實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控也是必要的，這需要多重傳感器安裝在芯片上以實(shí)現(xiàn)自動化的反饋。

從3D打印角度來說，生物墨水仍然是最大的問題之一，墨水需要保證細(xì)胞在其中均勻懸浮且具有良好的打印性，并能提供養(yǎng)分。而對于較大的組織，血管化是目前需要克服的一大難題。

為應(yīng)對上述問題，目前研究者開發(fā)了多材料生物墨水，可以實(shí)現(xiàn)多種細(xì)胞的混合打印。從打印工藝來說，同軸打印也是實(shí)現(xiàn)血管結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)；數(shù)字微鏡設(shè)備與CT結(jié)合的生物3D打印技術(shù)可以有效幫助實(shí)現(xiàn)大尺寸異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)的血管化。近期已經(jīng)有相關(guān)研究成功制造出同時具有肝臟、心臟和肺的多器官芯片，并安裝生物傳感器，以檢測實(shí)時反饋。

多材料生物打印

多器官芯片

隨著生物3D打印技術(shù)的逐漸開發(fā)，器官芯片也向著更復(fù)雜和更高的仿真度方向發(fā)展，隨著人類干細(xì)胞的應(yīng)用，相信器官芯片會在醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)有更深遠(yuǎn)的影響。

多細(xì)胞工程生命系統(tǒng)
作者：Roger D Kamm：美國麻省理工學(xué)院

多細(xì)胞工程生命系統(tǒng)（MulticellulcarEngineered Living Systems, M-CELS）最早有日本的Yamanaka教授提出，隨著生物3D打印和微流控技術(shù)的發(fā)展，在最近10年內(nèi)有著長足的發(fā)展，是未來生物醫(yī)藥企業(yè)的有力而高效的工具。

M-CELS的制造往往分為兩種，一種是將細(xì)胞接種到基質(zhì)之中，以實(shí)現(xiàn)其功能，不需要細(xì)胞之間的互動；第二種是充分利用細(xì)胞的自主性進(jìn)行分化和自組裝。其中第二種方法還有許多未知和難題需要探尋和克服。如何實(shí)現(xiàn)自組裝，甚至于自修復(fù)的組織結(jié)構(gòu)是未來的方向。

M-CELS的生產(chǎn)路徑圖

想要實(shí)現(xiàn)M-CELS的構(gòu)建，需要開發(fā)全新的生物打印工藝。要開發(fā)新的工藝，有幾點(diǎn)難題需要攻克。其中一個就是生物學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理很多還是未知的，而當(dāng)前的設(shè)計(jì)和制造原則是基于已知的各種部件間的相互作用。例如，我們不甚理解一組肌肉細(xì)胞如何自組裝形成肌肉組織，并可以產(chǎn)生集體收縮。不過即使我們不理解，我們可以創(chuàng)造條件，通過將它們放置在足夠接近的位置，使他們自發(fā)性的相互作用。同時作者提出，例如復(fù)雜的腦類器官，如何形成血管化是一大難題。而如何實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)、自我復(fù)制的生物學(xué)系統(tǒng)是更進(jìn)一步需要解決的問題。

作者相信隨著計(jì)算機(jī)輔助方法的加持，通過預(yù)測打印完成的機(jī)構(gòu)體可以有效的構(gòu)建合格的M-CELS。然而，作者同樣認(rèn)為，我們應(yīng)該進(jìn)一步理解整個類器官的原理，并且重新審視生物3D打印的潛能，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破。

太空上的生物3D打印
Vladimir Mironov：俄羅斯莫斯科第一國立醫(yī)科大學(xué)
Lorenzo Moroni：荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)

隨著生物3D打印技術(shù)的逐漸壯大，美國、中國、歐盟和俄羅斯均開始嘗試在太空進(jìn)行生物打印研究。對于太空上進(jìn)行生物3D打印，作者提出，微擠出式打印機(jī)依然是最常用的打印方法，打印出來的結(jié)構(gòu)體暴露在太空的微重力和輻射環(huán)境下，用于研究其生物學(xué)和生理學(xué)功能。

最近，研究者們開發(fā)出了另一種磁懸浮生物打印方法，通過磁化細(xì)胞在磁場中打印，以克服微重力所帶來的打印問題。通過磁場的設(shè)計(jì)，這一工藝可以實(shí)現(xiàn)免支架、免噴嘴的快速打印，在太空這一特定環(huán)境下，是一種十分有吸引力的新工藝。

能夠升入太空的打印設(shè)備、墨水需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和管控，以確保宇航員的安全，所以太空級生物3D打印機(jī)需要緊湊、極高的自動化和客戶友好性。

專為太空生物打印設(shè)計(jì)的磁懸浮打印機(jī)

太空輻射被視為人類太空探索的一大障礙，特別是建立可持續(xù)的行星定居點(diǎn)的深空旅行。生物3D打印的人體組織結(jié)構(gòu)可以作為一種用于監(jiān)測太空輻射及其影響的前哨兵。我們已知人體的高度增值組是具有放射敏感性的，因此，干細(xì)胞，骨髓，以及生殖器官如卵巢和睪丸等器官是太空中主要打印和研究的對象。

總之，太空上的生物3D打印是極富挑戰(zhàn)性的研究方向，也具有諸多潛力，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們距離在太空的定居又進(jìn)一步。


生物3D打印工藝
作者：IbrahimT Ozbolat：美國賓夕法尼亞州立大學(xué)
生物3D打印工藝往往可以分為微滴式、微擠出式、激光光刻式打印工藝。每種打印工藝都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性：

微滴式工藝通過超聲或微閥的方法產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)的微滴機(jī)構(gòu)，噴射在打印平臺上，具有較高的精度和速度。但其適用的材料往往局限于低黏度材料，并且細(xì)胞密度往往不高，因?yàn)榇祟惔蛴∪菀自斐蓢婎^堵塞。

微擠出式工藝通過擠出外力（氣動或電動）將材料通過噴嘴擠出成連續(xù)的絲材，并堆積成結(jié)構(gòu)，適用于多種細(xì)胞和墨水，是最常使用的生物3D打印工藝。但其精度往往不夠高，100微米的精度已經(jīng)是其極限，而對于細(xì)微結(jié)構(gòu)的打印，微擠出式工藝難以勝任。

激光光刻式打印工藝是通過光的照射固化，大面積堆積形成結(jié)構(gòu)，其精度較高。但由于其利用光進(jìn)行固化交聯(lián)，所以其材料的應(yīng)用范圍大大被縮減，而且其打印出的結(jié)構(gòu)生物仿生性和細(xì)胞密度均較低。

不過隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們有了更多的工藝和技術(shù)來突破上述工藝的難題。例如近期Feinberg Lab提出的FRESH懸浮膠打印，可以實(shí)現(xiàn)高精度的打�。籅urdick Lab開發(fā)出原位光固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)墨水在噴嘴擠出前瞬間實(shí)現(xiàn)光固化，大幅提高其打印精度；又如LIFT光固化打印工藝的提出，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管狀結(jié)構(gòu)的打��；研究人員還將墨水通過微滴噴射到靜電紡絲中，亦或是通過聲泳技術(shù)，以解決其工藝的低黏度限制。

新興的生物3D打印工藝

總的來說，生物3D打印工藝不斷進(jìn)步，各技術(shù)相互融合以實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜高精度結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

總結(jié)
這篇綜述性文獻(xiàn)可謂是集結(jié)了生物3D打印領(lǐng)域的半壁江山，而本篇文獻(xiàn)的意義也正如本篇文章的策劃人孫偉教授所言：生物3D打印的方法論和技術(shù)水平持續(xù)發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地升級和變換，生物3D打印路線圖旨在通過提供詳實(shí)的總結(jié)和建議，幫助行業(yè)資深和新入的研究人員一個思路和方向。

參考文獻(xiàn)

Sun, Wei, Binil Starly, Andrew C. Daly, Jason A. Burdick, Jürgen Groll, Gregor Skeldon, Wenmiao Shu et al. "The bioprinting roadmap." Biofabrication 12, no. 2 (2020): 022002.

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