逐步商業(yè)化！生物打印技術(shù)、材料、應(yīng)用和主要制造商

導(dǎo)讀：近十年來，3D生物打印變得越來越火熱，已從專門用于學(xué)術(shù)研究的3D生物打印系統(tǒng)擴(kuò)展到一個(gè)商業(yè)化領(lǐng)域。目前，生物打印系統(tǒng)的硬件能力不斷提高、商業(yè)化、材料標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)明顯�？梢哉f，生物打印行業(yè)的各個(gè)方面都蓬勃發(fā)展，持續(xù)創(chuàng)新，在市場(chǎng)中開拓出一番天地。



3D生物打印市場(chǎng)背景
2013 年，烏得勒支大學(xué) Jos Malda 教授舉辦了首批生物打印夏季課程，烏得勒支的研究人員與其他主要中心（波士頓哈佛大學(xué)威斯研究所、韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)等）一起，一直處于生物打印創(chuàng)新的前沿。2022 年 2 月，該小組首次展示了使用體積生物打印技術(shù)制造了功能性肝組織的模型，這表明3D打印復(fù)雜器官和再生組織的可行性。Trestle Biotherapeutics是根據(jù)哈佛大學(xué)維斯研究所 Jennifer Lewis 教授過去十年進(jìn)行的研究，將腎臟（腎臟）組織移植物商業(yè)化。3D Systems 是傳統(tǒng)增材制造行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，它也通過生物打印硬件（通過收購Allevi）、生物墨水（與 collPlant 合作）和應(yīng)用（主要是肺組織，與 United Therapeutics合作）進(jìn)入市場(chǎng)。


△肝組織

肝臟和腎臟組織是研究人員利用生物打印實(shí)現(xiàn)的較復(fù)雜的組織，可以用于再生醫(yī)學(xué)的組織移植和藥物開發(fā)測(cè)試 (DDT)。然而，開發(fā)生物打印組織的道路是艱難的，已經(jīng)有人員傷亡。南極熊獲悉，Organovo 提出了基于腎臟和肝臟組織生物打印的商業(yè)生物打印理念，但未能將其產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并在放棄生物打印領(lǐng)域之前燒掉了數(shù)百萬美元。

生物打印有望徹底改變我們處理醫(yī)學(xué)和組織工程的方式。它有可能解決全球器官捐獻(xiàn)者短缺問題并改變醫(yī)療行業(yè)，為眾多疾病和傷害提供解決方案。南極熊將介紹不同類型的生物打印機(jī)和生物墨水，并介紹各種生物打印應(yīng)用。

生物打印是什么？



3D生物打�。ɑ蚝喎Q為生物打�。┦侵甘褂脵C(jī)器（3D 生物打印機(jī)）逐層生產(chǎn)模型的一系列增材制造和數(shù)字制造方法。與傳統(tǒng) 3D 打印一樣，生物打印基于 CAD 軟件中設(shè)計(jì)的 3D 模型創(chuàng)建對(duì)象。生物打印對(duì)象（或結(jié)構(gòu)）通常是人類或動(dòng)物的組織模型，通過細(xì)胞與其他生物材料和生物相容性材料（如聚合物和陶瓷）的組合而創(chuàng)建。

1988 年，Robert J. Klebe 使用噴墨打印機(jī)打印細(xì)胞時(shí)，生物打印被“正式”引入。從那時(shí)起，該領(lǐng)域不斷發(fā)展，并引入了新的方法和技術(shù)。最初生物打印是在學(xué)術(shù)層面的，現(xiàn)在部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化。在過去的二十年里，研究人員一直專注于研究如何適應(yīng)活細(xì)胞對(duì)生物材料打印過程中出現(xiàn)的壓力（摩擦、壓力、流體粘度等）的敏感性。

生物打印過程，如工業(yè) AM 過程，可分為兩大類：基于工具或間接（基于支架的打�。┖椭苯樱�無支架的打�。�。這兩者又進(jìn)一步分為兩類：激光輔助生物打印和無激光生物打印。

生物打印結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是多種材料，這與用于工業(yè)制造的 3D 打印形成了明顯的對(duì)比。多種細(xì)胞類型、不同的支架和支架材料、血管分布（為低于構(gòu)建體表面的細(xì)胞提供氧氣）和大量細(xì)胞外基質(zhì)材料都可以成為功能性生物打印結(jié)構(gòu)的一部分。隨著細(xì)胞的發(fā)育和適應(yīng)，生物打印還需要考慮時(shí)間因素，這也是為什么有些人將生物打印稱為 4D 打印的一種。

生物打印的應(yīng)用
一些工業(yè)增材制造已經(jīng)從研究和原型發(fā)展到商業(yè)的最終用途應(yīng)用。3D生物打印有望遵循類似的發(fā)展軌跡，但目前生物打印中具有商業(yè)潛力的硬件都集中在研究應(yīng)用上。雖然這項(xiàng)研究僅限于學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，但一些企業(yè)也進(jìn)行研發(fā)工作，比如很多制藥公司。

生物打印的最終目標(biāo)是打印功能器官，但通過生物打印制造復(fù)雜的器官十分困難，需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的技術(shù)和材料能力。生物打印應(yīng)用目前集中在藥物開發(fā)測(cè)試，并和食品相關(guān)產(chǎn)品（細(xì)胞農(nóng)業(yè)）。在再生醫(yī)學(xué)方面，也有生物打印的身影，包括組織移植物、一些基于非細(xì)胞生物相容性和生物可吸收的聚合物、陶瓷的植入物等。

多材料性仍然是所有工業(yè) 3D 打印方法的主要限制之一，是組織和器官打印的更大障礙，因?yàn)樯眢w最復(fù)雜的器官由許多不同的細(xì)胞類型組成。需要更多體積方法（同時(shí)從所有側(cè)面“全息”打�。�。同時(shí)，生產(chǎn)速度是當(dāng)前技術(shù)最明顯的局限性之一。腎臟和肝臟組織的生產(chǎn)目前僅限于研究應(yīng)用，其中 3D 打印組織比 2D 打印組織具有更多的優(yōu)勢(shì)，但真正的功能器官還有很長的路要走。心臟再生（例如 3D 打印的可吸收心臟瓣膜）和最近的肺再生取得了一些進(jìn)展。再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用生物打印的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一是對(duì)移植器官的巨大需求。

生物打印研究
體內(nèi)幾乎所有細(xì)胞都生活在細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 中，并通過生化和機(jī)械信號(hào)相互交流。細(xì)胞之間以及細(xì)胞與 ECM 之間的相互作用形成了一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，可以保持組織的特異性和穩(wěn)態(tài)。在2D細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)中，細(xì)胞無法獲得體外結(jié)構(gòu)組織和連通性可能會(huì)限制或損害細(xì)胞形態(tài)、活力、增殖、分化、基因表達(dá)、刺激反應(yīng)、藥物代謝和整體細(xì)胞功能等。由于這些限制，臨​​床前基于細(xì)胞的藥物和毒性篩選試驗(yàn)的預(yù)測(cè)能力較弱。有證據(jù)表明，與 2D 培養(yǎng)相比，3D 細(xì)胞培養(yǎng)可以更好地模仿具有生理相關(guān)性的天然組織的特異性。

這在干細(xì)胞分化和培養(yǎng)、癌癥生物學(xué)、藥物和毒性篩選以及組織工程中，3D生物打印尤為明顯。在不使用基于基質(zhì)的基質(zhì)的情況下，懸浮細(xì)胞聚集體的培養(yǎng)已用于一些更基本的 3D 模型中。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)組織發(fā)育和形態(tài)發(fā)生，體外 3D 模型必須模仿體外細(xì)胞行為的元素。已經(jīng)使用多種材料和構(gòu)造技術(shù)開發(fā)了具有可變物理和生物特征的支架，滿足各種細(xì)胞類型的需要。對(duì)于 3D 細(xì)胞生長的體外應(yīng)用，基于 ECM 的水凝膠（膠原蛋白、彈性蛋白、纖連蛋白和層粘連蛋白）是最常用的材料。

生物打印公司
由于生物打印在藥物發(fā)現(xiàn)（藥物毒性測(cè)試）、個(gè)性化醫(yī)療、組織移植等領(lǐng)域具有極高的商業(yè)價(jià)值，3D 生物打印已從純粹的實(shí)驗(yàn)和研究部門轉(zhuǎn)向商業(yè)市場(chǎng)，并在過去五年中顯著加速（因?yàn)?3D 打印技術(shù)總體上變得更加廣泛可用）。

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，目前至少有 135 家企業(yè)在全球生物打印市場(chǎng)開展業(yè)務(wù)（不包括生物打印產(chǎn)品經(jīng)銷商）。在這些公司中，38% 是生物打印機(jī)制造商，30% 是生物材料供應(yīng)商，44% 是生物打印實(shí)驗(yàn)室或服務(wù)提供商。請(qǐng)注意，公司可以屬于多個(gè)類別，并且這些數(shù)字還會(huì)繼續(xù)增加。


△Quantum X BIO 是一臺(tái)基于雙光子聚合 (2PP)的系統(tǒng) 。它由 CELLINK 和 Nanoscribe 共同開發(fā)，是同類產(chǎn)品中的第一臺(tái) 3D 生物打印機(jī)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打印分辨率，并提高了3D 生物打印的高精度標(biāo)準(zhǔn)。

在生物打印機(jī)硬件領(lǐng)域，名為BICO（前身為 Cellink）的公司一直在推動(dòng)行業(yè)方面發(fā)揮著重要作用。該公司從生產(chǎn)和分銷生物墨水開始，然后建立了一系列低成本擠壓生物打印機(jī)。在推出其第一個(gè)商業(yè)產(chǎn)品后，Cellink 以驚人的速度發(fā)展，在世界各地的大學(xué)中創(chuàng)建了一個(gè)由生物打印愛好者、研究人員和專業(yè)人士組成的社區(qū)。短短幾年，公司在瑞典納斯達(dá)克上市，并在美國市場(chǎng)開設(shè)分公司。自 2016 年以來，許多公司加入了 BICO 大家庭，擁有Advanced Biomatrix（生物材料）和Nanoscribe（2PP 納米 3D 打印硬件）。該公司現(xiàn)在為研究人員和臨床醫(yī)生提供技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)，幫助他們生成、理解和掌握生物3D打印。

像Cellink一樣，許多公司都基于生物打印硬件開發(fā)了重要業(yè)務(wù)。系統(tǒng)制造商包括RegenHU，這是一家瑞士公司，最早推出高端生物打印硬件系統(tǒng)的公司之一。硬件市場(chǎng)的另一個(gè)主要傳統(tǒng)運(yùn)營商是 EnvisionTEC，這是一家領(lǐng)先的工業(yè) DLP 系統(tǒng)制造商，最近被 Desktop Metal 收購并更名為ETEC/Desktop Health。ETEC 的生物繪圖儀已用于數(shù)十項(xiàng)已發(fā)表的研究。Advanced Solutions開發(fā)了多軸生物打印機(jī)器人（BioAssembly Bot）和相關(guān)軟件，并與 GE Healthcare 建立了分銷合作伙伴關(guān)系。Regenovo是中國生物打印機(jī)制造的領(lǐng)先品牌，市場(chǎng)上有幾臺(tái)機(jī)器。以硬件為核心業(yè)務(wù)的低成本解決方案推動(dòng)公司包括Rokit和Allevi（被 3D Systems 收購的公司），以及許多其他公司。


△EnvisionTEC 3D-生物繪圖儀，從左到右，3D Bioplotter 的制造商、開發(fā)人員和初學(xué)者系列

增材制造市場(chǎng)的長期先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者之一 3D Systems 通過與 United Therapeutics 的合作將肺作為關(guān)鍵器官生物打印應(yīng)用，并與 CollPlant 合作開發(fā)用于乳房重建的組織支架。它還收購了 Allevi 以建立其商業(yè)生物打印硬件業(yè)務(wù)，并任命前 Allevi 首席科學(xué)官 Taci Pereira 為生物打印總經(jīng)理。一些開發(fā)生物打印硬件技術(shù)的公司，例如 TandR Biofab、3Dbio、Poietis 等，正專注于特定的 3D 生物打印應(yīng)用，例如可植入組織和移植物。例如，韓國公司 T&R Biofab 不僅開創(chuàng)了自己的生物打印技術(shù)，而且還在為其平臺(tái)開發(fā)各種應(yīng)用程序。T&R Biofab——代表組織工程和再生醫(yī)學(xué)，生物制造——一直在支持一些真正具有開創(chuàng)性的項(xiàng)目。



△生物打印主要制造商和設(shè)備

生物打印材料
聚合物、陶瓷、細(xì)胞、細(xì)胞聚集體、生長因子、水凝膠、支架成分和其他材料的組合構(gòu)成了生物打印墨水或生物墨水。為確保細(xì)胞活力（即細(xì)胞在印刷過程中存活），必須謹(jǐn)慎處理細(xì)胞生物墨水。生物墨水有廣泛且快速擴(kuò)展的不同材料可供選擇，許多機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在內(nèi)部制造材料以滿足他們自己的獨(dú)特需求。隨著行業(yè)的發(fā)展材料的標(biāo)準(zhǔn)化，越來越多的商業(yè)生物墨水被引入全球市場(chǎng)。下面，簡單介紹一下主要生物墨水公司和材料。

設(shè)計(jì)用于生物打印的生物材料包括應(yīng)用范圍很廣的水凝膠、金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和多孔材料。最佳打印方法取決于材料的物理特性。例如，低粘度材料對(duì)生物打印更具吸引力，因?yàn)榧?xì)胞在低壓環(huán)境中茁壯成長。孔徑和互連性等其他材料參數(shù)會(huì)對(duì)封裝的細(xì)胞產(chǎn)生影響。

一般來說，生物打印機(jī)中用于生物打印應(yīng)用的所有耗材都被稱為生物墨水。生物墨水有時(shí)被用作包含特定細(xì)胞的材料，以區(qū)別于純水凝膠和支架材料。生物墨水通常是聚合物，也可以由陶瓷或金屬制成。生物墨水進(jìn)一步分為犧牲生物墨水、基質(zhì)基礎(chǔ)試劑、基質(zhì) ECM GAG、基質(zhì)打印增強(qiáng)劑和 UV 固化生物墨水。在植入的情況下，為了容納接受者自身的組織，支架材料必須具有生物相容性。植入物必須具有細(xì)胞相容性，允許細(xì)胞生長、粘附、增殖和遷移，同時(shí)對(duì)宿主無害并且不會(huì)引起明顯的炎癥或免疫排斥。

組織工程支架由幾乎所有無細(xì)胞 3D 打印材料制成，包括金屬、合成和天然聚合物。為了提高硬組織修復(fù)替代物的機(jī)械強(qiáng)度，通常采用金屬和羥基磷灰石粉末作為起始材料。



●水凝膠
水凝膠是成功培養(yǎng)和維持細(xì)胞的重要工具，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S細(xì)胞在 3D 環(huán)境中生長并與周圍環(huán)境相互作用。在 3D 模型中生長的細(xì)胞具有更高的生理相關(guān)性，能夠改善的細(xì)胞活力、形態(tài)、增殖和分化。它們由保留大量水的聚合物鏈的大型三維網(wǎng)絡(luò)組成，所以水凝膠是生物打印的理想材料。海藻酸鹽、膠原蛋白、明膠、gelMA、纖維蛋白和透明質(zhì)酸是常見的水凝膠材料。

藻酸鹽是一種藻類衍生的多糖（一種聚合碳水化合物分子）。它由兩個(gè)重復(fù)的單糖組成。交聯(lián)藻酸鹽因其與天然 ECM 相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)、良好的生物相容性和易于快速凝膠化而在 3D 組織/器官打印中極具潛力，它還適用于組織工程應(yīng)用中。甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸殘基在膠原蛋白中含量豐富。膠原蛋白是許多組織細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 中最普遍的蛋白質(zhì)，它通過形成三螺旋在生理環(huán)境下形成水凝膠。由于存在可刺激細(xì)胞粘附的細(xì)胞相互作用 RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸），膠原蛋白也被認(rèn)為是一種很好的細(xì)胞包封材料。


△來自 Humabiologics 的人源性膠原蛋白。

變性膠原蛋白也用于制造明膠，該物質(zhì)作為膠凝劑廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化妝品行業(yè)。纖連蛋白、波形蛋白、玻連蛋白和 RGD 肽都是明膠中的常見蛋白質(zhì)，可通過整合素受體誘導(dǎo)細(xì)胞附著。由于其可接受的生物學(xué)特性和可定制的物理特性，明膠甲基丙烯酰 (GelMA)，水凝膠已被廣泛用于許多生物醫(yī)學(xué)目的。由于包含細(xì)胞附著和基質(zhì)金屬蛋白酶敏感肽基序，GelMA 水凝膠密切反映了原始 ECM 的幾個(gè)重要特征，允許細(xì)胞在基于 GelMA 的支架中增殖和擴(kuò)散。透明質(zhì)酸 (HA) 是一種生物材料，由 ECM 的線性多糖成分組成。對(duì)于 3D 組織/器官打印應(yīng)用，該材料表現(xiàn)出高生物相容性、粘彈性、親水性和生物降解性。

●細(xì)胞、類器官和球狀體
組織和器官的打印在很大程度上依賴于細(xì)胞打印。然而，嚴(yán)格的打印條件限制了可用的生物墨水材料。此外，生物材料剛度、官能團(tuán)和表面形狀對(duì)細(xì)胞行為有影響。對(duì)于生物打印墨水，細(xì)胞通常被封閉在模仿組織樣環(huán)境的可生物降解水凝膠中。水凝膠的特性可以保護(hù)內(nèi)部細(xì)胞免受打印過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的影響，從而使它們能夠保持干細(xì)胞自我更新和多譜系分化能力等生物功能。

細(xì)胞球體是基本的 3D 模型，可以由多種細(xì)胞類型制成，并由于粘附細(xì)胞固有的聚集愿望而形成球體。胚狀體、乳腺球、腫瘤球體、肝球和神經(jīng)球都是球體的例子。在體外，成人組織干細(xì)胞可以生成自組織的 3D 類器官。類器官是在體外生長的自組織 3D 結(jié)構(gòu)，嵌入細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 中，類似于它們的起源器官，類似于進(jìn)化的球體。它們可以由一系列組織和細(xì)胞來源制成，包括原代組織外植體、細(xì)胞系、多能成體干細(xì)胞、多能胚胎干細(xì)胞（ES 細(xì)胞）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞）。

●生物可吸收聚合物
在 3D 生物打印中，有幾種不同的合成聚合物被廣泛使用，包括聚己內(nèi)酯 (PCL)、聚（乳酸-共-乙交酯）(PLGA)、聚乙二醇 (PEG)等。為了增加細(xì)胞反應(yīng)，可以結(jié)合合成和天然聚合物的混合物。由于其低熔化溫度 (59–64°C) 和易于打印加工的特點(diǎn)，PCL 在微擠出過程中應(yīng)用最廣泛。PCL 也是無毒的、生物相容的并且具有水解誘導(dǎo)的整體侵蝕/生物降解特征，允許在分解之前保持結(jié)構(gòu)的形狀。PCL 是一種組織工程支架材料，可用于 3D 打印 3D 組織和器官的支架作為支撐框架，以確保打印的載細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形狀保真度。


△4D Biomaterials 將一類新型材料商業(yè)化：液體樹脂可以打印成固體 3D 支架植入物

●陶瓷
由于其出色的機(jī)械性能、骨傳導(dǎo)性和與骨骼的相容性，磷酸三鈣 (TCP)、HA/羥基磷灰石、ZrO2（氧化鋯）和 SiO2（硅酸鹽）等陶瓷通常用于骨組織工程。最常用于骨組織工程的陶瓷是羥基磷灰石（HA，不要與透明質(zhì)酸混淆，后者也是 HA）。HA 可以多種形式用于 3D 生物打印技術(shù)，包括粉末、漿液和顆粒。3D 打印技術(shù)所需的流動(dòng)性可以通過將 HA 造�；�?qū)⑵渑c其他聚合物溶液混合來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于粉狀 HA 顆粒的聚結(jié)，甚至細(xì)胞的包含，聚合物溶液經(jīng)常用作液體粘合劑。由于 HA 大量存在于人類的牙齒和骨骼中，


△使用LithaBone TCP 300 3D 打印的 CMF 植入物，這是一種以陶瓷材料 β-磷酸三鈣 (β-TCP) 為基礎(chǔ)的漿料。

生物打印技術(shù)
材料噴射是最早的生物打印技術(shù)的基礎(chǔ)。這種方法與 Stratasys 的 PolyJet 或 3D Systems 的 MultiJet Printing 等 3D 打印材料噴射方法有關(guān)，類似于傳統(tǒng)的 2D 噴墨打印。早期的生物打印機(jī)是經(jīng)過改進(jìn)的 2D 噴墨打印機(jī)，可將生物成分噴灑到移動(dòng)的 Z 軸平臺(tái)上，以創(chuàng)建堆疊的 3D 層。如今，市場(chǎng)上的大多數(shù)生物打印機(jī)都基于擠出技術(shù)，但最高端的系統(tǒng)集成了多種（激光輔助和無激光）工藝。


支架提供機(jī)械支撐和物理環(huán)境，使細(xì)胞能夠粘附、生長和維持其生理能力。為了使細(xì)胞粘附、增殖、分化和分泌細(xì)胞外基質(zhì)，支架必須提供良好的生物相容性或細(xì)胞相容性。ECM 中富含生物活性化合物。另一方面，傳統(tǒng)的三維支架制造方法缺乏對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精細(xì)控制。另一方面，一些聚合物增材制造技術(shù)，從材料擠出到立體光刻，甚至選擇性激光燒結(jié)，都可以用來制造復(fù)雜的界面組織工程支架。

然而，支架仍然是以間接方式進(jìn)行生物打印結(jié)構(gòu)的工具。因此，它們具有無支架生物打印技術(shù)可以克服的幾何限制。如果將活細(xì)胞直接打印到基底上，由于細(xì)胞的自然活動(dòng)，支撐結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)生成。在這種情況下，無支架生物打印可能是在生物打印結(jié)構(gòu)中生成復(fù)雜血管系統(tǒng)的可行選擇。

●激光輔助生物打印
生物打印工藝，如工業(yè) 3D 打印，可以進(jìn)一步分為使用激光引發(fā)聚合（硬化）反應(yīng)的工藝和不使用激光（通常使用熱量或壓力）的工藝。這些也稱為 LAB（激光輔助生物打�。┖� LFB（無激光生物打�。�。

直接激光輔助生物打印采用類似于激光立體光刻 (SLA) 中使用的激光源，將基板上液滴形式的活細(xì)胞引導(dǎo)至預(yù)定位置。在轉(zhuǎn)移細(xì)胞后，接收基質(zhì)包含生物聚合物或細(xì)胞培養(yǎng)基以維持細(xì)胞粘附和增殖。另一方面，激光與細(xì)胞的長時(shí)間直接接觸會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞存活受限。LIFT (Laser Induced Forward Transfer) 和 LGDW (Laser Guided Direct Writing) 是兩種 LAB 方法，然而，立體光刻技術(shù)是當(dāng)今商業(yè)開發(fā)最重要的 LAB 技術(shù)。這與 3D Systems 的先驅(qū) Charles Hull 于 1986 年發(fā)明的方法相同。

在生物打印中，立體光刻分為多個(gè)子類別。微立體光刻 (MSTL) 是一種在微米尺度上制造 3D 自由曲面物體的技術(shù)，它使用光學(xué)元件來縮小激光束的直徑。另一種方法是基于投影的微立體光刻技術(shù) (pMSTL)，它使用 DLP 3D 打印技術(shù)來制造微結(jié)構(gòu)。聚合物、響應(yīng)性水凝膠、形狀記憶聚合物是常用的材料。雙光子聚合 (2PP) 是一種基于激光的 3D 打印工藝，采用雙光子吸收 (2PA) 和激光啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)光敏材料的聚合，類似于立體光刻，但更精密（以納米級(jí)）在所有 3D 打印技術(shù)中，2PP 的分辨率最高，研究人員已經(jīng)能夠使用它為細(xì)胞粘附和增殖建立 3D 打印結(jié)構(gòu)。

●體積生物打印



傳統(tǒng)生物打印和增材制造技術(shù)的可擴(kuò)展性受到打印速度的限制，因?yàn)槿唛L的生物制造過程會(huì)損害細(xì)胞功能。體積生物打印能夠通過在幾秒到幾十秒的時(shí)間內(nèi)打印結(jié)構(gòu)。2019 年，來自烏得勒支醫(yī)學(xué)中心和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的一組研究人員展示了使用體積可見光激光打印機(jī)處理細(xì)胞友好型水凝膠生物樹脂，從而實(shí)現(xiàn)大型活組織結(jié)構(gòu)的生物打印�？茖W(xué)家們專門為該項(xiàng)目開發(fā)了一種定制生物打印機(jī)，目標(biāo)是建立一家專門致力于將這些應(yīng)用程序商業(yè)化的衍生公司。該研究的作者包括生物打印先驅(qū)，例如烏得勒支醫(yī)學(xué)中心的 Jos Malda 教授和 Riccardo Levato 教授。

目前所有的生物打印都依賴于重復(fù)構(gòu)建塊（通常是載有細(xì)胞的水凝膠纖維或體素、單細(xì)胞或細(xì)胞聚集體）的逐層沉積和組裝，體積打印方法是一種基于可見光投影的全息投影方法，可以從基于明膠的光響應(yīng)水凝膠中生成具有高活力的載有細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)，這很難用傳統(tǒng)打印來實(shí)現(xiàn)，可以制造具有嵌入血管生成芽和半月板移植物的小梁骨模型。2022 年，同一小組能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模（>1 立方厘米）工程化肝臟單元的超快速（<20 秒）體積生物打印，它們不僅僅是模型，他們是具有功能性的，能夠在人體內(nèi)消除關(guān)鍵毒素，為再生醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)測(cè)試 (DDT) 開辟新的機(jī)會(huì)。

●無激光生物打印
無激光生物打印包括噴射（噴墨或 MJ）打印和材料擠出 (MEX) 3D打印。這兩種技術(shù)的根本區(qū)別在于，在材料噴射中，打印頭包含多個(gè)微型噴嘴，而在擠壓 3D 打印中，每種材料僅由一個(gè)噴嘴（或最多兩個(gè)或三個(gè)）擠壓和沉積。

噴墨、聲學(xué)液滴噴射和微閥生物打印是基于液滴的生物打印中使用的三種不同技術(shù)。聲波生物打印使用聲波產(chǎn)生液滴，電磁泵用于在微閥生物打印中噴射液滴。連續(xù)噴墨 (CIJ)、按需噴墨 (DoD) 和電液動(dòng)力 (EHD) 噴射是噴墨生物打印的三個(gè)子系列。按需滴落生物打印使用熱量或壓電致動(dòng)器（或靜電力）來產(chǎn)生液滴，電液動(dòng)力噴射(EHD) 生物打印使用高壓電。

材料擠出，也稱為熔融沉積成型 (FDM) 或熔絲制造 (FFF)，是一種通過強(qiáng)制粘性液體或熔融材料通過噴嘴來鋪設(shè)堆疊材料層的方法。可以擠出熱塑性聚合物長絲，例如聚乳酸 (PLA) 或熱固性塑料、細(xì)胞懸浮液和 UV 固化光聚合物。擠出生物打印機(jī)可以使用活塞、氣動(dòng)或螺桿方法利用各種粘度的材料制造部件。擠出方法通常較慢，但它們可以提供高細(xì)胞存活率，非常適合硬組織工程。擠出生物打印系統(tǒng)可以包含多個(gè)打印頭來擠出不同的材料，例如支架和細(xì)胞材料（例如，由 Postech 大學(xué)研究人員開發(fā)的 MHDS 或多頭沉積系統(tǒng)）。Atala 博士在維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所 (WFIRM) 的團(tuán)隊(duì)在 2016 年展示了一種集成的多頭組織器官打印機(jī) (ITOP)，旨在生產(chǎn)穩(wěn)定的、任何形狀的人體組織結(jié)構(gòu)。

●其他生物打印方法
靜電紡絲是一種多功能的 3D 打印技術(shù)，是將帶電的粘彈性聚合物溶液噴射到收集器上以制造纖維。聚合物溶液輸出和收集器之間的高壓產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)引導(dǎo)帶電聚合物溶液的行進(jìn)路徑。這種方法可以制造出尺寸從幾微米到幾納米不等的超細(xì)纖維。

磁性 3D 生物打印是一種使用生物相容性磁性納米粒子將細(xì)胞組裝成 3D 結(jié)構(gòu)或培養(yǎng)物的技術(shù)。Nano3D (n3D) Biosciences（現(xiàn)為 Greiner-One Bio 所有）開發(fā)了一種納米梭，這是一種磁性納米顆粒組合，由金、磁性氧化鐵和聚 L-賴氨酸組成，有助于通過靜電相互作用粘附在細(xì)胞膜上。外部磁力可用于將標(biāo)記有磁性納米梭的細(xì)胞排列成模仿組織結(jié)構(gòu)和功能的特定 3D 模式。與擠壓技術(shù)相比，磁性方法要快得多。

佐賀大學(xué)的 Koich Nakayama 教授設(shè)計(jì)了 Kenzan 技術(shù)，培養(yǎng)了球體或細(xì)胞聚集體，每個(gè)球體有數(shù)萬個(gè)細(xì)胞。在沒有任何額外支持材料的情況下，將球體直接插入細(xì)針陣列中，并與相鄰的球體結(jié)合以形成連接結(jié)構(gòu)，細(xì)胞球體可以定位在任何所需的三維配置中。最后，在生物反應(yīng)器中生長相連的細(xì)胞球體可促進(jìn)細(xì)胞自組織并產(chǎn)生具有適當(dāng)功能和質(zhì)量的 3D 組織。

生物打印的應(yīng)用
器官和組織衰竭是醫(yī)療保健中一個(gè)棘手且代價(jià)高昂的問題，這也意味著生物打印在生成用于植入的功能器官方面的潛力是增材制造的長期未來最重要的機(jī)會(huì)。但許多預(yù)測(cè)報(bào)告在預(yù)測(cè) AM 的未來收入時(shí)很少考慮生物打印技術(shù)領(lǐng)域，盡管它有可能在未來二十年內(nèi)覆蓋整個(gè)制造業(yè)務(wù)的 2%，因?yàn)樯虡I(yè)器官的生產(chǎn)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何實(shí)際分析的范圍。另一方面，世界各地器官的稀缺性是組織工程研究的重要推動(dòng)力，尤其是設(shè)計(jì)細(xì)胞-支架-微環(huán)境以刺激多種組織再生，包括皮膚、軟骨、骨骼、肌腱和心臟組織。

●皮膚和骨骼
在組織工程中，生物打印能夠創(chuàng)建比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法具有更高分辨率和復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)。生物打印已成為用各種材料（包括陶瓷和納米材料）制造軟骨組織工程支架的常用方法。

●軟骨
軟骨是一種靈活的結(jié)締組織，對(duì)于日常人類活動(dòng)中的彈性和平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。它由稱為軟骨細(xì)胞的細(xì)胞組成，周圍環(huán)繞著由蛋白質(zhì)和碳水化合物組成的凝膠狀基質(zhì)。與骨骼不同，軟骨沒有血液供應(yīng)，因此無法快速自我修復(fù)。這一特性使其成為早期生物打印實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的理想候選者，因?yàn)樗�不需要�?fù)雜的毛細(xì)管作用。


△T&R Biofab

使用 3D 生物打印技術(shù)重建或再生新軟骨組織受到了很多關(guān)注，但迄今為止尚未產(chǎn)生可植入人體的可行商業(yè)應(yīng)用。椎間盤、半月板和膝關(guān)節(jié)軟骨的生物打印仍然主要局限于學(xué)術(shù)研究，目前尚無重要的商業(yè)應(yīng)用被批準(zhǔn)用于人類。但在使用聚合物 (PCL) 3D 打印結(jié)構(gòu)實(shí)施支架以支持氣管軟骨再生方面取得了一些成功。

●皮膚
皮膚是人體最大的器官，具有由三個(gè)主要層（表皮、真皮和皮下組織）。近年來，皮膚生物打印領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，導(dǎo)致了更復(fù)雜和精密的皮膚組織模型的發(fā)展。研究人員已經(jīng)成功地生物打印出多層皮膚結(jié)構(gòu)，模仿天然皮膚的結(jié)構(gòu)和成分，包括表皮、真皮和皮下層。這為研究皮膚病和測(cè)試新療法開辟了新途徑。此外，皮膚生物打印還被用于開發(fā)燒傷患者和其他皮膚損傷患者的皮膚替代品。這些生物打印的皮膚結(jié)構(gòu)在早期臨床試驗(yàn)中顯示出可喜的結(jié)果，為供體皮膚短缺和相關(guān)倫理問題提供了潛在的解決方案。


△SLAM 過程示意圖（照片：Advanced Functional Materials）

盡管存在許多皮膚替代品，但還沒有一種解決方案能夠囊括天然皮膚中存在的化學(xué)、機(jī)械和生物學(xué)作用。伯明翰大學(xué)的一組研究人員使用一種稱為懸浮層增材制造 (SLAM) 的方法生產(chǎn)出一種連續(xù)的三層植入物，它與人類皮膚非常相似，通過仔細(xì)控制生物墨水的成分，在整個(gè)打印結(jié)構(gòu)中形成了梯度（化學(xué)和細(xì)胞）。研究人員認(rèn)為，這些植入物可以促進(jìn)愈合傷口。

●骨頭
由于硬組織的性質(zhì)很簡單，主要由無機(jī)材料組成，因此骨再生和軟骨再生是利用打印技術(shù)最成熟的領(lǐng)域。許多制造工藝已被用于制造一系列用于建造骨支架的生物材料。然而，與其他技術(shù)相比，3D 生物打印可以更精確地控制人造支架的結(jié)構(gòu)和機(jī)械特征。在臨床上，可以使用3D生物打印技術(shù)生成創(chuàng)新、穩(wěn)定和可吸收的硬組織和器官修復(fù)材料。

磷酸三鈣 (TCP) 和羥基磷灰石 (HA) 等陶瓷通常用于骨組織工程。它們是成分與天然骨骼相似的生物相容性材料。在 3D 打印中，羥基磷灰石通常與單體粘合劑結(jié)合，然后逐層固化以構(gòu)建植入物的最終形狀。與傳統(tǒng)的植入物制造方法相比，此過程允許創(chuàng)建根據(jù)每位患者的特定需求量身定制的植入物，提供更好的貼合度和更高的舒適度。


△使用 3DCeram SLA 技術(shù)和羥基磷灰石/TCP 構(gòu)建的陶瓷植入物。

3D打印羥基磷灰石骨植入物仍是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，在實(shí)際案例中的應(yīng)用還遠(yuǎn)未標(biāo)準(zhǔn)化，但3D打印在這一領(lǐng)域的潛在好處是巨大的，預(yù)計(jì)該技術(shù)在未來定制化骨植入物的開發(fā)中將發(fā)揮越來越重要的作用�？赡艿膽�(yīng)用包括脛骨截骨楔、椎間融合器、顱骨植入物、普通骨替代物、普通脊柱植入物和普通骨科植入物。

●藥物和化妝品測(cè)試
藥品和化妝品的測(cè)試是另一個(gè)迫切需要改性皮膚的領(lǐng)域，尤其是在許多國家不再允許或即將禁止動(dòng)物試驗(yàn)的情況下。鑒于這種不斷增長的需求，3D 生物打印是一種快速可靠地生產(chǎn)仿生細(xì)胞皮膚替代品的潛在方法，可同時(shí)滿足臨床和工業(yè)需求�；瘖y品公司對(duì)當(dāng)今先進(jìn)的 3D 打印和生物打印應(yīng)用非常感興趣，例如 3D 打印組織甚至毛囊。

化妝品巨頭歐萊雅 (L'Oréal) 和法國生物技術(shù)初創(chuàng)公司 Poietis簽署了獨(dú)家研究合作伙伴關(guān)系，以生物打印能夠長出頭發(fā)的毛囊。這不僅可能導(dǎo)致更有效的頭發(fā)產(chǎn)品測(cè)試，而且還可以增加我們對(duì)頭發(fā)如何工作的理解，為成人脫發(fā)的潛在生物療法鋪平道路。

●細(xì)胞農(nóng)業(yè)
細(xì)胞農(nóng)業(yè)是健康醫(yī)學(xué)與農(nóng)業(yè)交界處的一個(gè)跨學(xué)科研究領(lǐng)域。細(xì)胞農(nóng)業(yè)公司打算在組織工程、材料科學(xué)、生物工程和合成生物學(xué)方面取得進(jìn)步，以創(chuàng)造新的方法來利用細(xì)胞和微生物制造現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品，如牛奶、肉類。

Mark Post 教授 2013 年的培養(yǎng)漢堡建立了培養(yǎng)肉的概念證明，是細(xì)胞農(nóng)產(chǎn)品的第一個(gè)例子。生產(chǎn)可食用的實(shí)驗(yàn)室種植的漢堡大小產(chǎn)品的成本一直在穩(wěn)步下降，從幾十萬美元下降到幾百美元甚至更少，但生產(chǎn)率仍然很低，遠(yuǎn)不能滿足大眾市場(chǎng)的需求。