深度：3D生物打印在泌尿外科的應(yīng)用

作者：呂建林  
來(lái)源：醫(yī)學(xué)鏡界

1. 簡(jiǎn)介
對(duì)泌尿組織和器官的損害，如創(chuàng)傷、腫瘤、先天性畸形、產(chǎn)傷和衰老，仍然是一個(gè)主要的臨床挑戰(zhàn)。全世界器官短缺和供體稀缺為異體組織移植的替代方案敲響了警鐘。然而，在傳統(tǒng)的組織工程中，仍然存在明顯的問(wèn)題，例如細(xì)胞分布不均勻，結(jié)構(gòu)完整性喪失以及較厚和較厚的組織血管化困難[1，2]。作為一種潛在的解決方案，3D生物打印可以克服與組織工程相關(guān)的一些上述挑戰(zhàn)。一方面，3D生物打印將使人們更好地了解病理機(jī)制，并有利于發(fā)現(xiàn)早期干預(yù)的新療法。另一方面，3D生物打印可以刺激人體的自然器官和組織取代那些終末期或嚴(yán)重的泌尿科疾病[3]。

三維打印在1990年代首次被描述，在泌尿外科的所有領(lǐng)域中都有越來(lái)越多的應(yīng)用。最初，3D打印技術(shù)開(kāi)始影響泌尿外科領(lǐng)域，從創(chuàng)建用于醫(yī)療培訓(xùn)、手術(shù)計(jì)劃和患者教育的3D模型到制造植入物和個(gè)性化假肢[4，5，6]。3D打印的泌尿模型在圖1.

用于培訓(xùn)和教育的三維打印泌尿外科模型：（a）3D打印前列腺癌模型[7];（b）3D打印腎癌模型[8];（c）3D打印睪丸模型[9];（d） 3D打印膀胱模型[10];（e）3D打印的熱塑性彈性體（TPC）尿道子宮托模型[11];（f）3D打印前列腺模型[12]。

用于醫(yī)療用途的器官和精確組織模型的短缺導(dǎo)致了3D生物打印的誕生。從廣義上講，與直接生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的3D打印可以被視為3D生物打印。大多數(shù)估計(jì)表明，在不久的將來(lái)，全球3D生物打印市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)1億美元[13，14]。如圖2表明，3D生物打印是基于計(jì)算機(jī)3D模型結(jié)合幾種細(xì)胞，支架和生物分子，并根據(jù)分配“生物墨水”功能和環(huán)境打印所需的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品[15，16]。目前，根據(jù)不同的原型原理和打印材料，3D生物打印技術(shù)主要分為三種類型，包括噴墨3D生物打印，微擠出3D生物打印和激光輔助3D生物打印。每種技術(shù)都有其技術(shù)特征，如表1 。

3D生物打印過(guò)程的示意圖。

表1：當(dāng)前常見(jiàn)的3D生物打印技術(shù)的比較。

2. 3D生物打印的方法

2.1. 微擠出 3D 生物打印
微擠出生物打印是基于生物墨水液滴物理擠出原理而獲得所需3D結(jié)構(gòu)的最廣泛使用的生物打印方法[15，16]。用于此類印刷的生物材料通常固定在基材上的微型噴嘴孔或微針孔中。然后，通過(guò)氣動(dòng)壓力、柱塞壓力或螺桿壓力引起的協(xié)調(diào)擠出運(yùn)動(dòng)形成連續(xù)長(zhǎng)絲的流體和分散。此外，該方法可以打印具有高生物相容性的各種“生物墨水”，并具有打印解剖學(xué)多孔結(jié)構(gòu)的潛力。然而，這種技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，例如印刷精度有限和印刷過(guò)程中活性較低[21，22]。

2.2. 噴墨 3D 生物打印
噴墨3D生物打印作為一種非接觸式打印過(guò)程，其中生物墨滴根據(jù)3D模型的要求落在打印載體表面上的特定位置。噴墨打印的優(yōu)點(diǎn)包括總體成本低、打印速度快和分辨率高[14]。盡管如此，仍存在一些局限性，包括液滴大小不均、無(wú)序以及頻繁的噴嘴堵塞[18，19]。

2.3. 激光輔助生物打印
激光輔助生物打�。↙AB）使用單色脈沖或連續(xù)激光能量將液滴形式的生物材料從供體載玻片轉(zhuǎn)移到收集載玻片，從而產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)[13]。迄今為止，飛秒激光已經(jīng)開(kāi)發(fā)了動(dòng)物細(xì)胞水凝膠的超快激光誘導(dǎo)。LAB無(wú)需噴嘴即可打印所有細(xì)胞類型，不會(huì)造成細(xì)胞堵塞，細(xì)胞密度接近生理組織或器官的生物墨水;因此，該方法的細(xì)胞存活率和分辨率相當(dāng)可觀。然而，臨床應(yīng)用受到易污染吸收層和高成本的限制。

3. 3D生物打印的生物墨水
用于3D生物打印的材料稱為“生物墨水”。不同組織或器官的不同性質(zhì)具有特定的ECM，具有不同的組成，支持細(xì)胞生長(zhǎng)和功能。ECM是組織和器官的非細(xì)胞支架框架，代表細(xì)胞生存、增殖、遷移或修飾其表型的環(huán)境生態(tài)位[25，26，27]。因此，研究人員必須在3D生物打印過(guò)程中再現(xiàn)天然組織和器官的各種ECM，常用的打印油墨是脫細(xì)胞ECM，水凝膠和3D多孔生物支架。每種生物墨水的組成、分類和特性在表2.

表2：目前常見(jiàn)的3D生物打印生物墨水的比較。

3.1. 去細(xì)胞化 ECM
天然來(lái)源的ECM是最適合人類細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的打印材料，因?yàn)樗�的環(huán)境與正常的組織結(jié)構(gòu)和微環(huán)境相似。去細(xì)胞化細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）去除細(xì)胞成分和一些小分子或抗原;因此，它比天然來(lái)源的ECM具有更好的生物相容性，降解性和免疫原性。此外，dECM保留了組織或器官的大部分天然結(jié)構(gòu)和組成，例如生長(zhǎng)因子、多糖和天然蛋白質(zhì)，這些對(duì)促進(jìn)血管生成和細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化至關(guān)重要，為細(xì)胞提供強(qiáng)大的機(jī)械支撐和合適的生存環(huán)境[28]。

在現(xiàn)有研究中，dECM生物墨水的一個(gè)主要來(lái)源來(lái)自豬[29，30，31]。大鼠和山羊的組織和器官，如脂肪組織、心臟和肝臟，是dECM生物墨水的其他來(lái)源[32，33，34]。然而，需要指出的是，幾種病毒基因組被整合到動(dòng)物基因組中，這使得動(dòng)物組織和器官的使用成為一種風(fēng)險(xiǎn)[35]，這需要我們注意。此外，一些研究小組使用尸體和捐獻(xiàn)的人體部位作為dECM的來(lái)源，用于移植物發(fā)育[36，37，38]。人體脂肪組織也被認(rèn)為是dECM生物墨水和干細(xì)胞的不錯(cuò)選擇，通常接受吸脂術(shù)的患者可以脂肪組織的形式產(chǎn)生大量醫(yī)療廢物，這些廢物可以轉(zhuǎn)化為有用的生物材料[39]。最近的研究還表明，植物來(lái)源的組織因其相互作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、大表面積、不同程度的親水性和優(yōu)越的機(jī)械性能而適合組織工程中的血管化[40]。

脫細(xì)胞過(guò)程可以通過(guò)幾種化學(xué)、生物和物理方法制備[41，42]。氫氧化銨，洗滌劑，SDS，酸和堿是一些廣泛使用的化學(xué)試劑。去垢劑通過(guò)透化和溶解細(xì)胞膜來(lái)裂解細(xì)胞，而酸和堿則溶解細(xì)胞質(zhì)成分并破壞核酸[43，44]。生物學(xué)方法包括用酶（如蛋白酶和核酸酶）和螯合劑處理組織。蛋白酶，如胰蛋白酶，裂解肽并破壞細(xì)胞-基質(zhì)粘附。核酸酶（如DNA酶和RNase）催化脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸鏈的水解裂解[41，45]。物理方法主要旨在誘導(dǎo)壓力或溫度的快速變化以破裂細(xì)胞，例如高靜水壓力，超臨界二氧化碳和凍融循環(huán)[46]。無(wú)論如何，脫細(xì)胞過(guò)程必須溫和，以避免損壞ECM的組成。

3.2. 水凝膠

水凝膠材料一般是松散交聯(lián)的高分子材料，固體含量少，內(nèi)部含水量大。其3D結(jié)構(gòu)和生物物理特性（形狀、機(jī)械強(qiáng)度和滲透性）與天然來(lái)源的ECM相似[47]。它目前通過(guò)3D生物打印廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域，包括皮膚傷口修復(fù)[48，49，50]，骨損傷[51，52，53]，軟骨損傷[54，55，56]和心臟康復(fù)[57，58，59，60]。

水凝膠主要分為兩種：天然高分子水凝膠和合成水凝膠。天然聚合物水凝膠，包括明膠、膠原蛋白和透明質(zhì)酸，具有高生物相容性、適度生物降解性、低免疫原性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[60]。與天然聚合物水凝膠相比，合成水凝膠的生物相容性較差，但機(jī)械性能更好。

人們對(duì)具有顯著科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步的響應(yīng)式水凝膠越來(lái)越感興趣。反應(yīng)性水凝膠是暴露于特殊的外部刺激后能改變其理化性質(zhì)并對(duì)其作出反應(yīng)的水凝膠之一[63，64]，具有可逆性、自我修復(fù)和再生的功能，使其很好地適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境。目前，敏感水凝膠廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和材料領(lǐng)域，包括制備負(fù)載阿霉素（DOX）的pH響應(yīng)水凝膠用于治療癌癥，溫度響應(yīng)水凝膠用于制造傷口修復(fù)中的3D生物打印材料，以及葡萄糖響應(yīng)水凝膠用于治療糖尿病足[65，66].此外，由于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，病變環(huán)境多樣，單反應(yīng)水凝膠在某些病理?xiàng)l件下無(wú)法完全滿足治療預(yù)期[67]，例如腫瘤引起的氧化應(yīng)激和pH下降，這涉及多種條件的變化。此外，這也是為什么近年來(lái)多種響應(yīng)水凝膠受到越來(lái)越多的關(guān)注，例如溫度/pH雙響應(yīng)水凝膠和pH/氧化還原雙響應(yīng)水凝膠[68]。

3.3. D 多孔生物支架

與dECM和傳統(tǒng)水凝膠相比，多孔生物支架在3D生物打印方面具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。由于它們的表面互連的多孔結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了更大的表面積，允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，廢物和生物因子的大量運(yùn)輸，并且還促進(jìn)了更廣泛的細(xì)胞遷移和滲透[69]。目前有許多研究試圖將3D多孔支架應(yīng)用于組織工程，例如骨再生[70，71]。盡管它們有許多潛在的治療應(yīng)用，但由于缺乏解耦其結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間復(fù)雜相互作用的方法，尚未對(duì)3D多孔生物支架中的細(xì)胞行為進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械生物學(xué)研究[72，73]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Jiang等人發(fā)現(xiàn)，冷凍保護(hù)劑DMSO可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍凝膠3D多孔支架制造過(guò)程中的冰晶形成來(lái)控制孔徑[72]，并且支架的剛度受聚合物冷凍凝膠過(guò)程中交聯(lián)度的調(diào)節(jié)。他們選擇成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞來(lái)研究機(jī)械反應(yīng)性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架孔徑和剛度的單獨(dú)控制。此外，他們探索了皮下植入后對(duì)這些生物物理微調(diào)多孔支架的體內(nèi)細(xì)胞反應(yīng)，我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了支架在提高再生醫(yī)學(xué)治療效果方面的潛在應(yīng)用。

4.各泌尿生殖器官三維打印

力學(xué)正在成為幾種疾病和病理學(xué)的關(guān)鍵標(biāo)志。疾病中發(fā)生的機(jī)械變化和組織狀態(tài)異常不僅對(duì)診斷很重要，而且對(duì)組織工程和體外模型中此類疾病的概括也很重要。關(guān)于活組織，幾個(gè)力學(xué)參數(shù)具有臨床意義，剛度被認(rèn)為是研究中生物組織最重要和描述最好的力學(xué)參數(shù)之一。很明顯，與周圍的健康實(shí)質(zhì)相比，腫瘤形成，衰老和代謝疾病可導(dǎo)致纖維化和僵硬增加。新出現(xiàn)的信息表明，該機(jī)械參數(shù)的改變與腎纖維化和癌癥、睪丸癌、膀胱癌、前列腺癌和不孕癥相關(guān)疾病和惡性腫瘤的進(jìn)展有關(guān)[74，75，76]。這些信息為3D打印提供了新的策略。

近年來(lái)，三維打印技術(shù)將科學(xué)進(jìn)步帶入泌尿外科領(lǐng)域的臨床實(shí)踐，在手術(shù)計(jì)劃、住院醫(yī)師培訓(xùn)、患者教育方面提供了一些優(yōu)勢(shì)，并促進(jìn)了按需創(chuàng)建患者特定的醫(yī)療設(shè)備、植入物或假體。其中，3D打印在泌尿科領(lǐng)域最常見(jiàn)的應(yīng)用是創(chuàng)建特定于患者的3D打印解剖和病理模型，因?yàn)樗鼈兛梢詢?yōu)化術(shù)前手術(shù)計(jì)劃，更好地理解外科醫(yī)生對(duì)病變，并最終改善患者預(yù)后[77]。具有3D打印器官模型的醫(yī)患溝通模式有助于泌尿科醫(yī)生獲得患者同意。Wake等人進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查得出結(jié)論，術(shù)前3D打印模型有助于患者了解他們的病情和手術(shù)目的[7]。三維打印模型還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)尸體和動(dòng)物訓(xùn)練在泌尿外科模擬中的一些空白，為完善居民的專業(yè)技能提供了低風(fēng)險(xiǎn)、低成本的機(jī)會(huì)[78]。

一些研究也證明了3D打印模型對(duì)機(jī)器人手術(shù)訓(xùn)練的有用性[5，79]。Bendre等人在機(jī)器人腎盂成形術(shù)模擬中使用基于3D硅的腎臟模型，使用基于80D硅膠的腎臟模型，使用全球機(jī)器人技能評(píng)估（GEARS）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估住院醫(yī)師在訓(xùn)練前后的表現(xiàn)[81]。此外，結(jié)果發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后深度感知、手術(shù)速度和信心都有顯著改善。此外，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都是以標(biāo)準(zhǔn)化的形狀和尺寸組合制造的，這通常不能為每個(gè)患者提供最合適的產(chǎn)品。三維打印允許為不同的患者創(chuàng)建用于手術(shù)的醫(yī)療設(shè)備、儀器和工具[<>]。

5. 三維生物打印在泌尿組織工程中的應(yīng)用

泌尿系統(tǒng)由前列腺、腎臟、輸尿管、膀胱和尿道組成，是人體代謝產(chǎn)物最關(guān)鍵的排泄途徑之一，調(diào)節(jié)水和鹽代謝和酸堿平衡，產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)，對(duì)維持人體內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定起著重要作用。泌尿系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和功能缺陷的患者需要手術(shù)修復(fù)和重建甚至器官移植。然而，與破壞性手術(shù)不同，泌尿系統(tǒng)的重建手術(shù)的特點(diǎn)是難度，風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥發(fā)生率更高。反過(guò)來(lái)，器官移植與供應(yīng)不足、免疫抑制反應(yīng)和并發(fā)癥等問(wèn)題有關(guān)。這促使臨床醫(yī)生和科學(xué)家開(kāi)發(fā)新療法，以改善需要器官和組織置換的主要疾病患者的生活質(zhì)量[82，83]。

三維生物打印不僅可以從組織結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)確構(gòu)建受影響區(qū)域的精確模型，還可以打印各種不同的功能細(xì)胞，細(xì)胞外基質(zhì)，細(xì)胞生長(zhǎng)因子和可生物降解的聚合物支持材料。該技術(shù)甚至可以重建血管和神經(jīng)，實(shí)現(xiàn)自體組織的最大解剖復(fù)位[84]。此外，移植替代品可以通過(guò)3D打印根據(jù)患者的個(gè)體差異進(jìn)行定制，達(dá)到個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療的目的。目前，該方法已應(yīng)用于骨修復(fù)、軟骨修復(fù)、心臟修復(fù)和骨盆修復(fù)，并取得了可喜的效果;因此，越來(lái)越多的研究人員正試圖將3D生物打印與泌尿系統(tǒng)的修復(fù)和重建相結(jié)合[85，86，87]。在本節(jié)中，我們介紹了3D生物打印在膀胱，尿道，睪丸，陰道和腎臟的修復(fù)和重建中的一些最新研究和應(yīng)用。本綜述中討論的3D泌尿生物打印的最新工作摘要載于表3.此外，還展示了由3D生物打印制造的不同泌尿結(jié)構(gòu)，組織和器官的幾個(gè)例子圖3.

通過(guò)3D生物打印制造的不同泌尿組織和器官的例子：（a）3D生物打印的膀胱模型[97];（b） 3D打印的兔尿道[91];（c）3D生物打印的脫細(xì)胞陰道支架[92];（d）3D生物打印睪丸水凝膠支架[98];（e）3D生物打印的大鼠仿生腎血管支架[96]。

表3：泌尿外科3D生物打印項(xiàng)目，其打印技術(shù)和生物墨水制備。

5.1. 膀胱的三維生物打印
使用3D打印技術(shù)可以將正常的膀胱組織構(gòu)建成細(xì)胞支架，并最終可以通過(guò)細(xì)胞增殖在體外創(chuàng)建定制的人工膀胱[99，100]。泌尿外科領(lǐng)域目前對(duì)膀胱的3D生物打印進(jìn)行了相對(duì)良好的研究。Anthony等人將88名脊髓滑脫患者的尿上皮和肌肉細(xì)胞植入由膠原蛋白和聚乙醇酸復(fù)合物組成的可生物降解膀胱形支架上[<>]，然后重建自體工程膀胱結(jié)構(gòu)并將其植入部分患者的大網(wǎng)膜包裹中。手術(shù)后尿道和腎功能恢復(fù)，沒(méi)有代謝后果。此外，工程化膀胱活檢顯示出足夠的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和表型，可用于需要閉鎖成形術(shù)的患者。

Chae等人開(kāi)發(fā)了一種膀胱模擬平臺(tái)，該平臺(tái)使用膀胱特異性dECM生物墨水和3D生物打印技術(shù)結(jié)合收縮釋放系統(tǒng)（CRS），復(fù)制了實(shí)際人類膀胱的平滑肌功能[98]。如圖4A，B表明，它改善了體外3D膀胱組織的生物學(xué)功能，可作為人類疾病建模和藥物測(cè)試基礎(chǔ)研究的研究平臺(tái)。Baumert等人將尿路上皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞接種到小腸的球形粘膜下（SIS）基質(zhì)中，然后將它們轉(zhuǎn)移到大網(wǎng)膜中，獲得膀胱體內(nèi)生物反應(yīng)器[101]。結(jié)果表明，與體外生物反應(yīng)器相比，這種負(fù)載大網(wǎng)膜的體內(nèi)膀胱生物反應(yīng)器可使種子支架在體內(nèi)成熟，血管形成豐富，在膀胱重建中具有廣闊的應(yīng)用前景。它的制造和植入工藝在圖4c.

(a） 體外3D生物打印膀胱模型系統(tǒng)示意圖。經(jīng)參考文獻(xiàn)[98]許可轉(zhuǎn)載;（b）不同形狀的3D生物打印膀胱的過(guò)程。經(jīng)參考文獻(xiàn)[98]許可轉(zhuǎn)載;（c） 3D生物打印和體內(nèi)膀胱生物反應(yīng)器植入的程序。經(jīng)參考文獻(xiàn)[101]許可轉(zhuǎn)載。

尿路上皮細(xì)胞（UC）在尿路上提供強(qiáng)大的通透性屏障，保護(hù)下面的組織免受尿液有毒成分的侵害。尿路上皮受損會(huì)導(dǎo)致幾種常見(jiàn)的泌尿系統(tǒng)疾病，例如尿道損傷或狹窄、間質(zhì)性膀胱炎、膀胱過(guò)度活動(dòng)癥和膀胱癌。Wang等人證明，分化尿液來(lái)源的干細(xì)胞（USC）來(lái)源的尿路上皮將為研究間質(zhì)性膀胱炎、過(guò)度活動(dòng)癥、神經(jīng)源性膀胱梗阻性膀胱炎提供極好的平臺(tái)[102]。

然而，在所有可用于自體移植的患者中，沒(méi)有足夠的健康尿路上皮和光滑細(xì)胞。雖然來(lái)自骨髓、脂肪組織和骨骼肌組織的間充質(zhì)干細(xì)胞也可以是泌尿系統(tǒng)中自體移植細(xì)胞的潛在來(lái)源;這些細(xì)胞更難誘導(dǎo)分化成尿路上皮細(xì)胞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Yang等人使用兔模型，發(fā)現(xiàn)兔尿來(lái)源的干細(xì)胞具有很高的增殖和多能分化潛力，可以很容易地從尿液或膀胱沖洗液中分離出來(lái)[103]，從而減少了侵入性收獲的需求和成本。他們還發(fā)現(xiàn)，兔細(xì)胞在形態(tài)、生化特性和分化能力方面與人尿源干細(xì)胞相似，這也為治療尿道狹窄或尿道缺陷患者提供了可能的方向。

5.2. 尿道的三維生物打印
尿道從膀胱內(nèi)孔開(kāi)始，到尿道外口結(jié)束，負(fù)責(zé)排出體內(nèi)尿液。尿道重建組織工程類似于膀胱重建，因?yàn)樗鼈兌际鞘褂脧幕颊呋顧z中提取的細(xì)胞并附著在合成或天然生物支架上實(shí)現(xiàn)的。不同節(jié)段的尿道結(jié)構(gòu)相似，其中平滑肌細(xì)胞和上皮細(xì)胞起著關(guān)鍵作用。很少有再生研究可以區(qū)分尿道的不同部分。

Atlantida Raya-Rivera等人成功地用自體細(xì)胞構(gòu)建了工程尿道，并將其植入尿道缺陷患者體內(nèi)[89]。該研究包括五名患有尿道缺陷的男孩。首先，通過(guò)恥骨上截骨術(shù)對(duì)每位患者進(jìn)行活檢以獲得組織切片，培養(yǎng)這些切片以提取肌肉和上皮細(xì)胞。然后，他們將這些細(xì)胞植入管狀聚乙醇酸上：聚（乳酸-共乙醇酸）支架。之后，患者接受了組織工程化的尿道管重建，研究人員對(duì)這些患者進(jìn)行了72個(gè)月的隨訪。連續(xù)X線片和內(nèi)窺鏡研究表明，尿道口徑保持寬，沒(méi)有狹窄。尿道活檢顯示，工程移植物在植入后3個(gè)月出現(xiàn)正常外觀。此外，他們發(fā)現(xiàn)工程尿道在結(jié)構(gòu)上是正常的，沒(méi)有異常的組織學(xué)變化，并且在臨床環(huán)境中保持功能長(zhǎng)達(dá)6年。

Huang等人使用明膠海綿制備了一種新型3D多孔細(xì)菌纖維素（BC）支架，以干擾BC發(fā)酵過(guò)程，并將來(lái)自舌粘膜的兔舌角質(zhì)形成細(xì)胞接種到支架上植入兔體內(nèi)[90]。結(jié)果表明，該支架與兔舌角質(zhì)形成細(xì)胞具有生物相容性，可在很大程度上促進(jìn)尿道組織再生而不會(huì)引起炎癥反應(yīng)，證實(shí)了舌角化細(xì)胞的3D多孔BC可能是尿道重建的有前景的替代支架。Zhang等人發(fā)現(xiàn)，由PCL和PLCL聚合物制成的多孔螺旋支架具有高滲透性[91]，他們的尿道3D生物打印過(guò)程呈現(xiàn)在圖5.研究表明，PCL和PLCL聚合物制成的支架多孔螺旋支架的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能接近天然兔尿道，從而促進(jìn)了打印的上皮細(xì)胞與支架兩側(cè)平滑肌細(xì)胞的接觸。更重要的是，裝有水凝膠的膀胱上皮和平滑肌細(xì)胞為細(xì)胞生長(zhǎng)提供了更好的微環(huán)境。這些結(jié)果為未來(lái)3D生物打印尿道的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

兔尿道的三維生物打印過(guò)程：（a） 使用聚合物和含有細(xì)胞的水凝膠進(jìn)行3D生物打印;（b） 3D生物打印的兔尿道模型;（c） 用聚合物噴嘴對(duì)支架部件進(jìn)行3D生物打印;（d） 尿道模型中的水凝膠正在交聯(lián);（e） 培養(yǎng)基中的尿道模型;（f） 帶有兩個(gè)注射器的3D生物打印機(jī)。經(jīng)參考文獻(xiàn)[91]許可轉(zhuǎn)載。

然而，大多數(shù)用于泌尿器官重建的管狀膠原支架通常缺乏徑向和可逆擴(kuò)張的能力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Versteegden等人生產(chǎn)了一種具有固有徑向彈性的新型膠原蛋白管狀支架[92]。他們利用管狀空心器官腔內(nèi)折疊的原理，通過(guò)使用星形心軸、3D打印夾具和細(xì)胞相容性進(jìn)行原位固定來(lái)引入形狀恢復(fù)效果。在準(zhǔn)備好的支架中有一個(gè)閉合的靜止管腔，當(dāng)腔壓增加時(shí)，例如當(dāng)液體通過(guò)時(shí)，管腔可以以星形打開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，這種支架的產(chǎn)生對(duì)泌尿系統(tǒng)中管狀器官的再生具有重要意義。

5.3. 睪丸的三維生物打印
對(duì)睪丸3D生物打印技術(shù)的研究相對(duì)較少。對(duì)于睪丸發(fā)育不全、雙側(cè)睪丸小和嚴(yán)重雙側(cè)睪丸萎縮的患者，其治療基于自體或同種異體移植。一些研究表明，用于兒童癌癥治療的化療和放療可以不可逆轉(zhuǎn)地影響成年期的生育能力，冷凍保存的未成熟睪丸組織移植（ITT）可能是恢復(fù)這組年輕男孩生育能力的一種有希望的策略，因?yàn)榍啻浩谇暗哪行圆粫?huì)產(chǎn)生精子。然而，無(wú)論采用何種冷凍保存方法，ITT移植后精原細(xì)胞的數(shù)量均顯著減少[72]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Poels等人將ITT嵌入裝有VEGF納米顆粒的水凝膠中，并通過(guò)免疫組織化學(xué)評(píng)估了生精小管的完整性、造血重建和精子恢復(fù)[93]。結(jié)果表明，含有納米顆粒生長(zhǎng)因子的海藻酸鹽水凝膠具有顯著較高的精子恢復(fù)率，在組織移植方面具有促進(jìn)冷凍保存的潛力。

一些研究表明，睪丸支架可能是構(gòu)建人工睪丸和保持患者生育能力的替代方法。Zahra等人通過(guò)對(duì)RAMS的睪丸組織碎片進(jìn)行去細(xì)胞化并將提取的T-ECM與藻酸鹽和明膠相結(jié)合，打印了睪丸水凝膠支架[99]。然后，他們表征了支架的形態(tài)、機(jī)械性能和生物學(xué)特性。結(jié)果表明，含5%ECM的水凝膠是最適合睪丸細(xì)胞培養(yǎng)的支架，細(xì)胞粘附性強(qiáng)，對(duì)精原干細(xì)胞具有較高的細(xì)胞生物相容性。這種支架可作為制備人工睪丸的仿生材料，在生殖醫(yī)學(xué)中可能具有一定的應(yīng)用意義。移植后膠原蛋白支架提供高生物相容性，沒(méi)有任何炎癥跡象，完全符合臨床使用要求。進(jìn)行更多的研究以確認(rèn)進(jìn)一步限制精子丟失的方法非常重要，同時(shí)證明其分化能力。

5.4. 陰道的三維生物打印
對(duì)于先天性缺席、陰道閉鎖、陰道狹窄或損傷一直遭受巨大心理和身體疼痛的患者，迫切需要陰道重建。傳統(tǒng)的陰道重建技術(shù)使用非陰道組織，其形態(tài)和組織學(xué)與正常陰道非常不同，因此細(xì)胞活力低和結(jié)構(gòu)粗糙。幸運(yùn)的是，3D生物打印有望解決這些問(wèn)題。Hou等人將含有15%明膠和3%海藻酸鈉的豬無(wú)細(xì)胞陰道基質(zhì)（AVM）轉(zhuǎn)化為生物墨水，并表征了其粘度和形態(tài)[94]。此外，研究人員隨后將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞嵌入3D支架中，并將其移植到大鼠體內(nèi)。結(jié)果表明，仿生三維陰道組織表現(xiàn)出良好的上皮化、血管化和生物相容性。

5.5. 腎臟的三維生物打印
腎臟成對(duì)扁豆形器官，紅褐色，位于腹膜后脊柱兩側(cè)的淺窩中。該器官由超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)腎臟單位組成，每個(gè)單位由三部分組成：腎小球、腎囊和腎小管。腎臟的基本功能是產(chǎn)生尿液以清除體內(nèi)的代謝物和某些廢物和毒素，并通過(guò)重吸收保留水和其他有用物質(zhì)，以調(diào)節(jié)水和電解質(zhì)平衡，維持酸堿平衡。腎臟還具有內(nèi)分泌功能，產(chǎn)生腎素、促紅細(xì)胞生成素、活性維生素D3、前列腺素等。然而，由于飲食問(wèn)題、尿路感染和處方藥使用增加，急性或慢性腎臟疾病的發(fā)病率最近正在增加，這繼續(xù)促使研究人員探索腎臟三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，以改善、恢復(fù)或替換其部分或全部功能[96，104，105]。

回旋的近端小管是腎臟中最脆弱的成分之一，因?yàn)榻�端小管參與腎小球?yàn)V液的重吸收和代謝物的分泌，導(dǎo)致高濃度的藥物代謝物積聚在近端小管中。Kimberly等人利用3D打印技術(shù)成功地在腎臟體外構(gòu)建了近端小管[95]。這些回旋的近端小管由近端小管上皮細(xì)胞（PTEC）包圍的開(kāi)放管腔結(jié)構(gòu)組成，嵌入由明膠-纖維蛋白水凝膠制成的細(xì)胞外基質(zhì)中，并安置在可灌注的組織芯片內(nèi)，在那里它們受到生理剪切應(yīng)力。掃描電鏡和一系列生化反應(yīng)表明，這些人工近端小管與正常人近端小管具有基本相同的生理功能。綜上所述，這些3D打印的小管可用于分析藥物代謝并輔助體外透析。

Little等人創(chuàng)造了腎臟微器官，為腎細(xì)胞的產(chǎn)生提供了經(jīng)濟(jì)來(lái)源[105]。然而，需要不斷改進(jìn)大小、結(jié)構(gòu)和功能，以實(shí)現(xiàn)替代腎組織的目標(biāo)。其中，血管形成是影響植入式3D腎臟構(gòu)建體在體內(nèi)存活和整合的主要障礙之一。腎臟依靠復(fù)雜的三維血管網(wǎng)絡(luò)來(lái)維持其正常的生理活動(dòng)，但這些網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性質(zhì)使得天然血管的復(fù)制變得困難。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Jennifer等人開(kāi)發(fā)了一種基于血管腐蝕鑄造技術(shù)的仿生腎血管支架[98]。他們用10%聚己內(nèi)酯（PCL）灌注大鼠腎臟，然后進(jìn)行組織消化。腐蝕的PCL的鑄件表面覆蓋著膠原蛋白，然后將PCL從膠原蛋白涂層內(nèi)去除，只留下一個(gè)基于中空膠原蛋白的仿生血管支架。之后，將制備的支架用MS1內(nèi)皮細(xì)胞涂層進(jìn)行血管化，然后粘合到3D腎臟結(jié)構(gòu)上并植入裸鼠的腎皮層中。結(jié)果表明，這種新型血管支架有效改善了血管化，MS1涂層支架中加入人腎細(xì)胞進(jìn)一步增強(qiáng)了植入支架內(nèi)腎小管結(jié)構(gòu)的血管化和再生。因此，使用這種支架可以極大地解決與血管形成相關(guān)的挑戰(zhàn)，并且可能是慢性腎病患者腎功能部分增強(qiáng)的理想治療策略。

盡管3D生物打印理論上可以生產(chǎn)用于移植的人造腎臟，但由于與膀胱和尿道相比，腎臟的組成和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因此該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。

6. 挑戰(zhàn)與展望
盡管3D生物打印技術(shù)在過(guò)去幾十年中取得了成就，但在泌尿外科應(yīng)用中的器官和組織的制造仍然存在許多挑戰(zhàn)。首先，3D數(shù)據(jù)重建必須準(zhǔn)確，3D生物打印成本普遍較高，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。其次，培養(yǎng)和獲取種子細(xì)胞進(jìn)行印刷比較困難，需要具有豐富細(xì)胞培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員。第三，用于印刷的支撐材料不僅要具有良好的生物相容性和生物力學(xué)性能，還要滿足泌尿系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu)要求。第四，需要特殊的3D打印機(jī)和噴嘴來(lái)保持細(xì)胞和細(xì)胞因子的存活。最后，制備含有血管的功能性3D生物打印組織仍然是3D生物打印面臨的挑戰(zhàn)之一。因此，需要進(jìn)一步的研究和探索，以利用3D生物打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并使新的移植替代品可用于臨床。