組織工程中生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用

石 靜，鐘玉敏(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心影像診斷中心，上海市 200127)
文章亮點(diǎn)：
1 此問(wèn)題的已知信息：3D 生物打印技術(shù)是組織工程學(xué)的一個(gè)分支，可以實(shí)現(xiàn)組織、器官的體外構(gòu)建。
2 文章增加的新信息：3D 生物打印技術(shù)相較其他快速成型構(gòu)建技術(shù)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前組織工程學(xué)及工 程學(xué)研究的熱點(diǎn)，但其仍面對(duì)較多難題，需要研究者進(jìn)一步研究，其臨床應(yīng)用前景廣泛，一旦未來(lái)在臨床工作中 全面鋪開(kāi)，具有劃時(shí)代的意義。
3 臨床應(yīng)用的意義：3D 生物打印技術(shù)能體外個(gè)性化復(fù)制患者或者生物醫(yī)學(xué)所需要的組織、器官結(jié)構(gòu)，具有仿生 學(xué)價(jià)值，且能最小化排異反應(yīng)，構(gòu)建速度快，在臨床科研實(shí)踐中應(yīng)用前景廣泛。
關(guān)鍵詞： 組織構(gòu)建；組織工程；3D 生物打��；組織工程學(xué)；快速成型技術(shù)；支架材料；選擇性激光燒結(jié)；熔融沉積成
石靜，女，1982 年生，江 蘇省蘇州市人，漢族，上 海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院畢業(yè)， 博士，主治醫(yī)師，主要從 事骨骼系統(tǒng)的影像學(xué)研 究。 通訊作者：鐘玉敏，上海 交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海 兒童醫(yī)學(xué)中心影像診斷中 心，
主題詞： 成像，三維；組織工程；支架；磁共振成像；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

背景：近年來(lái)，研究者將最先應(yīng)用于工程領(lǐng)域的 3D 打印技術(shù)嫁接到組織工程學(xué)中，希冀利用 3D 生物打印技 術(shù)進(jìn)行體外組織、器官?gòu)?fù)制過(guò)程，并取得了一些令人驚喜的成果。
目的：從 3D 打印技術(shù)的原理、打印操作步驟、與組織工程學(xué)的關(guān)系、優(yōu)勢(shì)和難題、臨床應(yīng)用等方面對(duì)其目前 的發(fā)展趨勢(shì)做一概述。
方法：第一作者應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢索 2000 年 1 月至 2013 年 10 月 PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)、維普 中文期刊網(wǎng)有關(guān) 3D 生物打印技術(shù)在組織工程中應(yīng)用的文章，英文檢索詞“ three-dimensional bioprinting, tissue engineering, rapid prototyping technology, scaffold materials, selective laser sintering, fused deposition modeling, stereolithography ”，中文檢索詞“3D 生物打印，組織工程學(xué)，快速成型技術(shù)，支架 材料，選擇性激光燒結(jié)，熔融沉積成型，立體光刻技術(shù)”，排除重復(fù)性研究。共檢索到 79 篇相關(guān)文獻(xiàn)，其中 52 篇文獻(xiàn)符合納入標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)果與結(jié)論：3D 生物打印就是借助影像技術(shù)(CT、MRI)資料的輔助，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬出待構(gòu)建 體的三維結(jié)構(gòu)，然后利用相應(yīng)的材料，逐層創(chuàng)建出實(shí)體的一種組織工程學(xué)技術(shù)。其具有高精度、構(gòu)建速度快， 可實(shí)現(xiàn)按需制造等優(yōu)勢(shì)，但也面對(duì)力學(xué)、生物學(xué)等方面的難題，臨床應(yīng)用前景廣闊。

引言 Introduction 組織工程學(xué)是20世紀(jì)80年代末開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一門 新興科學(xué)， 它涉及到臨床醫(yī)學(xué)、 生物材料學(xué)、 細(xì)胞生物學(xué)、 分子生物學(xué)、 生物工程等一系列學(xué)科的交叉融合， 其目的 主要是體內(nèi)或體外生成可替代性的組織和器官， 以修復(fù)受 損害的組織、器官的功能 [1-3] 組織工程學(xué)構(gòu)建及其相關(guān)各分支技術(shù)的相關(guān)報(bào)道，文獻(xiàn) [35-44]是關(guān)于3D生物打印技術(shù)目前面對(duì)技術(shù)難題的相關(guān) 報(bào)道，文獻(xiàn)[45-50]是關(guān)于3D生物打印臨床應(yīng)用的相關(guān)報(bào) 道，最后，文獻(xiàn)[51-52]是關(guān)于3D生物打印技術(shù)定義的相 關(guān)文獻(xiàn)。 。黃潔夫曾在《柳葉刀》上 發(fā)表文章稱，中國(guó)每年大約有150萬(wàn)人因末期器官功能衰 竭需要器官移植，但每年能夠使用的器官數(shù)量不到1萬(wàn)， 供求比例達(dá)到1∶150 。與此同時(shí)，中國(guó)需要接受器官移 植的患者數(shù)量還在以每年超過(guò)10%的增量擴(kuò)大。 而組織工 程學(xué)的進(jìn)步或許會(huì)為這些患者提供生存的希望。近年來(lái)， 研究者將最先應(yīng)用于工程領(lǐng)域的3D打印技術(shù)嫁接到組織 工程學(xué)中，希冀利用3D生物打印技術(shù)進(jìn)行體外組織、器 官?gòu)?fù)制過(guò)程 [5-8] [4] 2 2.1 結(jié)果 Results 什么是 3D 打印 [9] 所謂 3D 打印是可以真實(shí)打印三維 物體的一種技術(shù) ，其最早應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，目前 上海已經(jīng)有 3D 打印實(shí)體店開(kāi)張了。其打印原理簡(jiǎn)單來(lái) 說(shuō)類似于激光成型技術(shù)，采用分層加工、迭加成形的技 術(shù)，即通過(guò)逐層增加材料來(lái)形成 3D 實(shí)體。稱其為“打 印機(jī)”是因?yàn)閰⒄樟四壳吧逃么蛴�機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)?分層加工的過(guò)程與噴墨打印十分相似。3D 打印機(jī)與傳 統(tǒng)噴墨打印機(jī)最大的不同在于：3D 打印機(jī)的噴頭不僅 僅能在平面上移動(dòng)，還能夠垂直移動(dòng)。它的打印過(guò)程類 似于 CT 或者 MRI 掃描的逆過(guò)程， 將一層層剖面圖再重 新疊加起來(lái)，從而構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)。 實(shí)現(xiàn) 3D 打印的過(guò)程：首先在電腦中利用計(jì)算機(jī)輔助 ，并取得了一些令人驚喜的成果，現(xiàn)就3D 生物打印技術(shù)在組織工程中的應(yīng)用作一簡(jiǎn)單概述。
1 1.1 資料和方法 Data and methods 資料來(lái)源 第一作者應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢索2000年1月至 2013 年 10 月 PubMed 數(shù) 據(jù) 庫(kù) (http://www.ncbi.nlm.nih. gov/pubmed/) 、 CNKI 中 國(guó) 期 刊 全 文 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 相 關(guān) 文 章 (http://www.cnki.net/) 、維普中文期刊網(wǎng) (http://lib.cqvip. com/) ，英文檢索詞為“ three-dimensional bioprinting, tissue scaffold engineering, materials, rapid prototyping laser technology, sintering, selective 設(shè)計(jì)等技術(shù)建立產(chǎn)品模型，根據(jù)需要調(diào)整各種參數(shù)、如 大小、各種生物分子的配比等，然后相關(guān)軟件會(huì)自動(dòng)將 產(chǎn)品按照一定的厚度進(jìn)行虛擬的“切片”，并將相關(guān)數(shù) 據(jù)傳輸?shù)?3D 打印機(jī)，打印機(jī)就把這些極薄的“切片” 用塑料、松脂或金屬粉末像打印彩繪圖那樣打印出來(lái)， 然后通過(guò)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的噴嘴噴出堆接材料、強(qiáng)力膠水或 聚焦光束將其黏合成一個(gè)整體。 打印過(guò)程涉及到所謂的“膠水”和“粉末”：在需要成 fuseddeposition modeling, stereolithography ” ；中文檢 索詞為“3D生物打印，組織工程學(xué)，快速成型技術(shù)，支 架材料， 選擇性激光燒結(jié)， 熔融沉積成型， 立體光刻技術(shù)” 。 共檢索到79篇相關(guān)文獻(xiàn)，其中外文文獻(xiàn)53篇，中文文獻(xiàn) 26篇。
1.2 納入標(biāo)準(zhǔn) 型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不 易擴(kuò)散，然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì) 迅速固化黏結(jié)，而沒(méi)有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這 樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被“打 印”成型，打印完畢后掃除松散的粉末即可“刨”出模 型，而剩余粉末還可被循環(huán)利用。因此，打印耗材由傳 統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳z水”、“粉末”，當(dāng)然，此 處所指的“膠水”、 “粉末”都是經(jīng)過(guò)處理的特殊材料， 不僅對(duì)固化反應(yīng)速度有要求， 對(duì)于模型強(qiáng)度以及 “打印” 分辨率都有直接影響。

2.2 組織工程學(xué)的三維構(gòu)建 [10] ①文章所述內(nèi)容需為組織工程學(xué)體外構(gòu) 建組織、器官的論著或綜述類文章，以及與3D生物打印 技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究的成果報(bào)道或者未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域探索相 關(guān)的文章。 ②同一領(lǐng)域選擇近期發(fā)表或在權(quán)威雜志上發(fā)表 的文章。 1.3 排除標(biāo)準(zhǔn) 重復(fù)性研究。 1.4 數(shù)據(jù)的提取 計(jì)算機(jī)初檢得到79篇文獻(xiàn)， 閱讀標(biāo)題和 摘要進(jìn)行初篩， 排除中英文文獻(xiàn)重復(fù)報(bào)道和因觀察對(duì)照內(nèi) 容、因素、目的不同、重復(fù)報(bào)道的病例，及文獻(xiàn)內(nèi)容與3D 生物打印在組織工程學(xué)中的應(yīng)用不相關(guān)的內(nèi)容。 1.5 質(zhì)量評(píng)估 經(jīng)典的組織工程構(gòu)建需要 種子細(xì)胞和支架材料 。支架材料定義是：可以為種子 [11] 符合納入標(biāo)準(zhǔn)的52篇文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[1-8] 細(xì)胞提供適合其生長(zhǎng)的場(chǎng)所和發(fā)揮生物學(xué)功能的一種 生物學(xué)材料，具有能模仿天然組織的構(gòu)建性能 。作為 種子細(xì)胞的生物學(xué)載體，理想的支架材料應(yīng)具如下特 P.O. Box 10002, Shenyang 110180  是關(guān)于3D生物打印技術(shù)研究背景的相關(guān)報(bào)道，文獻(xiàn)[9]是 關(guān)于工業(yè)上已經(jīng)成熟的3D打印技術(shù)，文獻(xiàn)[10-34]是有關(guān) 272 石靜，等. 組織工程中 3D 生物打印技術(shù)的應(yīng)用  征 [12-13] ：①良好的生物相容性。②適中的生物降解性。 功地利用氣泡打印機(jī)將 DNA 寡核苷酸鏈打印到玻璃表 面形成微矩陣 [33] ③具有誘導(dǎo)或引導(dǎo)組織再生的能力。④具有一定的生物 力學(xué)強(qiáng)度與可塑形性。⑤無(wú)毒性與無(wú)免疫原性。⑥具有 合適的孔徑，利于細(xì)胞黏附生長(zhǎng)等特點(diǎn)。 早期的支架構(gòu)建采用單純的鑄造技術(shù)，盡管可以形 成多孔，但孔徑的大小無(wú)法與細(xì)胞相匹配，無(wú)法根據(jù)計(jì) 算機(jī)輔助成型技術(shù)事先確定支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)及細(xì)胞與孔 徑間的連接。如今，最初用于制造業(yè)的模具開(kāi)發(fā)和制造 的快速成型技術(shù)解決了這一難題 [14-17] ，Boland 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用改裝的 [34] 普通噴墨打印機(jī)成功地將生物細(xì)胞打印到基質(zhì)上，并先 后完成了從細(xì)胞打印到器官打印的開(kāi)創(chuàng)性研究

2.3 2.3.1 優(yōu)勢(shì) 3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和難題 。
3D 打印技術(shù)相較其他快速成型技術(shù)，具有如下 ①高精度：即分辨率高。該技術(shù)可以精確控制墨 水噴射位置和墨水的量，有利于生物顯微結(jié)構(gòu)的建立， 有利于局部痕量供給生物活性因子及藥物，從而有利于 控制組織的局部生長(zhǎng)發(fā)育。②可以同時(shí)打印種子細(xì)胞和 支架材料，更利于整體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。其可以使用多 顏色墨盒的原理， 從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)打印組織/器官內(nèi)的不同 組分，使用不同的細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和生物活性因子， 并且使用精確的配比。③構(gòu)建速度快：能夠快速的制造 生物組織/器官， 保證了生物材料的存活率， 從而顯著有 利于再生醫(yī)藥、器官移植等未來(lái)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。④可以按需 制造出符合個(gè)體需求的單個(gè)器官或組織，真正實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué) 的個(gè)性化需求。⑤3D 生物打印使用的種子細(xì)胞是來(lái)自 患者自己身體的細(xì)胞，所以可以從根本上解決其他組織 工程易發(fā)生的排異反應(yīng)。
2.3.2 3D 組織/器官打印技術(shù)尚處于起步階段，還有很 ①力學(xué)方面：噴射過(guò)程中的剪切力和 多問(wèn)題需要解決 �？焖俪尚图夹g(shù)是 [18-22] 多種三維構(gòu)建技術(shù)的總稱，又稱為立體自由構(gòu)建 ， 其方法主要是先利用計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)虛擬構(gòu)建出 三維數(shù)字結(jié)構(gòu)，再依此數(shù)字化模型，以逐層加工的模式 逐步構(gòu)建出所需的三維組織實(shí)體結(jié)構(gòu)。以下簡(jiǎn)單介紹幾 種快速成型技術(shù)。
2.2.1 選擇性激光燒結(jié) [23-26] 選擇性激光燒結(jié)是使用 激光發(fā)熱將聚合物顆粒熔融燒結(jié)為所需的形狀的一種 生產(chǎn)制造技術(shù)。激光束掃描聚合物粉末，使局部表面溫 度升高，引起聚合物顆粒逐層燒結(jié)形成所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。 選擇性激光燒結(jié)的分辨率受到激光束直徑的限制。改進(jìn) 選擇性激光燒結(jié)加工工藝主要包括使用更小的激光束 直徑，更細(xì)的粉末，更薄的燒結(jié)層，從而生產(chǎn)出分辨率 更高的支架，擴(kuò)大支架的表面積，有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)。 2.2.2 熔融沉積成型 [27-29] 熔融沉積成型是將熱熔性 液滴的沖擊力會(huì)對(duì)打印細(xì)胞液活性造成沖擊。 因此， “生 物墨水” 的配制必須符合流體力學(xué)的要求， 包括黏滯性、 密度、表面張力等重要參數(shù) [35] 材料加熱熔化，通過(guò)噴頭擠噴出來(lái)，隨即與前一個(gè)層面 熔結(jié)在一起，逐層沉積直至形成三維支架。該項(xiàng)技術(shù)的 局限性在于其 Z 軸方向的運(yùn)動(dòng)有限，不利于三維構(gòu)建， 此外，用于熔融沉積成型的材料對(duì)其熔點(diǎn)和加工條件有 較嚴(yán)苛的限制。 2.2.3 立體光刻技術(shù) [30-32] 。這些因素均可造成細(xì)胞 的損失影響細(xì)胞的存活，從而不利于體外的培養(yǎng)。同時(shí) 打印前，打印過(guò)程中均要求所打印的細(xì)胞或分子保持液 態(tài)，而打印后又要求其必須立即凝固，以維持黏彈性狀 態(tài)。這種液態(tài)到固態(tài)的變化必須保證不引起細(xì)胞、生物 活性因子以及其他微粒的損傷，這也對(duì) 3D 打印的發(fā)展 提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。②生物支架材料：生物支架材料 要解決的問(wèn)題有：支架材料的可降解性及降解速率；材 料的機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度；支架的最適孔徑和孔隙率 [36-37] 立體光刻技術(shù)是以光敏樹 脂為原料，紫外激光器發(fā)射激光，在光樹脂表面進(jìn)行逐 點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層發(fā)生光聚合反應(yīng)而固 化，形成一個(gè)薄層，一層固化完畢后，工作臺(tái)下降一個(gè) 凝固層的厚度，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新 的液態(tài)樹脂，然后進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一 層牢固地黏在前一層上，如此反復(fù)直到三維構(gòu)建完成。 其局限性在于細(xì)胞支架都是樹脂類材料，不具有生物可 降解性。
2.2.4 3D 生物打印技術(shù) 以上幾種立體自由構(gòu)建技 術(shù)，雖已取得了很好的效果，但其均不能夠同時(shí)將細(xì)胞 和支架材料同時(shí)構(gòu)建為組織模型。而最初用于制造工業(yè) 的打印設(shè)備為研究者提供了靈感：將打印機(jī)的墨水盒內(nèi) 按需裝入配比好的混入種子細(xì)胞的液態(tài)材料， 組成“生物 墨水”， 甚至可以依據(jù)彩色噴墨打印機(jī)具有不同顏色的墨 盒槽的原理，選擇不同的細(xì)胞、營(yíng)養(yǎng)成分、支架材料等 按不同配比裝入不同的色槽， 從而構(gòu)成“彩色生物墨水”， 實(shí)現(xiàn)按需的組織學(xué)裝配。盡管生物大分子容易受到酸、 堿、熱等理化因素的因素發(fā)生變性，但有研究者已經(jīng)成 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 。適 度的生物降解速率，指該降解速率需和組織再生的速率 相匹配， 最后可完全吸收或可安全排出。 合適的孔尺寸、 高的孔隙率(90%)和相連的孔形態(tài)，對(duì)于大量細(xì)胞的種 植、細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)、細(xì)胞外基質(zhì)的形成、氧氣和營(yíng) 養(yǎng)的傳輸、代謝物的排泄以及血管和神經(jīng)的內(nèi)生長(zhǎng)起著 決定作用 [38] 。雖然，支架的最適孔徑尚無(wú)定論，但學(xué)者 [39] 還是公認(rèn)，幾十到幾百微米的孔徑對(duì)于細(xì)胞的遷移和長(zhǎng) 入支架內(nèi)部通常認(rèn)為是必需的 。支架孔徑過(guò)小，不利 于細(xì)胞的穿透，培養(yǎng)的細(xì)胞經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間，仍然依附 于支架表面，未能穿透到支架內(nèi)部。支架孔徑過(guò)大，不 利于細(xì)胞的黏附和鋪展，同樣會(huì)妨礙細(xì)胞生長(zhǎng)。解決此 問(wèn)題的一個(gè)方法是用納米纖維與微米纖維共同構(gòu)建支 架材料 [40] 。 納米纖維為細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)提供合適的表 面形態(tài)，利于細(xì)胞在支架上的黏附與生長(zhǎng)，微米纖維提 273 石靜，等. 組織工程中 3D 生物打印技術(shù)的應(yīng)用 供整體的環(huán)境， 利于細(xì)胞滲透到支架內(nèi)部。 所以微/納米 復(fù)合纖維支架應(yīng)用于組織工程具有很大潛力 [41] 大多為壓電式噴頭，易造成噴嘴阻塞，且其黏結(jié)劑的添 加會(huì)影響骨骼材料的生物活性，因此，該技術(shù)不能應(yīng)用 于成形人體骨骼。②光敏材料三維打印運(yùn)動(dòng)方式最為簡(jiǎn) 單，噴頭選擇性地噴出實(shí)體材料和支撐材料，可在室溫 下操作，是理想的骨骼打印方法，其局限性在于當(dāng)前廣 泛用于骨骼構(gòu)造的生物材料是羥基磷灰石，其自身不是 光敏材料，所以必需與光敏材料混合使用，從而影響了 骨骼的生物活性。③熔融材料三維打印成形，可采用由 磷灰石和骨骼所需的有機(jī)鹽配置而成的骨水泥，不需要 添加黏合劑或光敏介質(zhì)，有利于維持細(xì)胞的活性；由螺 桿擠壓式噴頭噴射成形，不會(huì)造成阻塞現(xiàn)象；不需要紫 外光照射固化，只需要惰性氣體迅速冷卻即可，使其可 在室溫下操作。因此，該技術(shù)成為人體骨骼 3D 成形領(lǐng) 域的主導(dǎo)方向。上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大 學(xué)的研究者們?cè)诖思夹g(shù)上均取得了不同程度的成 果 [47-49] 。 目前國(guó) 內(nèi)外研究的支架材料種類眾多，但歸納起來(lái)可分為兩大 種類：一類是天然生物衍生材料，如脫鈣骨基質(zhì)、殼聚 糖、 藻酸鹽凝膠等； 另一類是人工合成生物高分子材料， 主要有羥基磷灰石、磷酸三鈣、生物活性玻璃等無(wú)機(jī)材 料和以聚乳酸及其共聚物等為代表的有機(jī)材料。這些支 架材料都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的支架往往是單一的有機(jī) 物或無(wú)機(jī)物，但其往往不能同時(shí)滿足 3D 打印的需要， 因此，現(xiàn)在的研究方向是發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單 一材料的不足，制造出各種復(fù)合支架材料。③生物學(xué)方 面：3D 打印過(guò)程中必須優(yōu)先考慮的問(wèn)題就是如何保持 細(xì)胞的活力以及產(chǎn)品的塑形 [42-44] 。 組織/器官打印必須處 理好的幾個(gè)生物學(xué)問(wèn)題包括：A.所選擇的打印方法對(duì)細(xì) 胞和 DNA 既無(wú)毒性，也不會(huì)引起不可逆的損傷，在整 個(gè)打印過(guò)程中都要求是無(wú)菌化的。B.打印的構(gòu)建物可以 快速成型，成為有凝聚性的、具有機(jī)械穩(wěn)定性的三維結(jié) 構(gòu)，不能在打印后出現(xiàn)溶解或坍塌。C.打印的構(gòu)建物可 以進(jìn)行體外培養(yǎng)、增殖、分化、發(fā)育等后處理過(guò)程，要 求構(gòu)建模型是具有組織 /器官三維特征的，能夠模擬組 織/器官特異性的微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境。 D.構(gòu)建的組織/器官 的再血管化問(wèn)題也非常關(guān)鍵， 它是構(gòu)建組織/器官成活的 關(guān)鍵，血管可以及時(shí)為種子細(xì)胞提供其成活所必需的營(yíng) 養(yǎng)，并且可以排泄代謝廢物。

2.4 2.4.1 3D 生物打印技術(shù)的臨床應(yīng)用 。 口腔醫(yī)學(xué) 類似于人體骨骼，牙齒的形態(tài)、結(jié)構(gòu) 2.4.3 亦相當(dāng)復(fù)雜， 組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成多樣， 為了適應(yīng)牙槽的結(jié)構(gòu)， 牙齒生長(zhǎng)及發(fā)展變化的趨勢(shì)亦完全不同，因此，用傳統(tǒng) 的組織工程技術(shù)進(jìn)行牙再生存在眾多難以解決的問(wèn)題。 而三維生物打印技術(shù)是可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助成型技術(shù) 設(shè)計(jì)的，以滿足個(gè)性化生產(chǎn)的需求，因此，三維打印技 術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)也有著廣泛的應(yīng)用。 北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院薛世華等 [50] 已經(jīng)成功進(jìn)行了 人牙髓細(xì)胞共混物的三維生物打印。該課題組采用酶聯(lián) 合消化法原代培養(yǎng)人牙髓細(xì)胞作為種子細(xì)胞，海藻酸 鈉-明膠水溶膠作為支架材料，進(jìn)行三維打印。打印后， 將獲得的三維生物打印結(jié)構(gòu)體浸入完全培養(yǎng)基進(jìn)行后 加工培養(yǎng)。經(jīng)評(píng)測(cè)，打印后的細(xì)胞體存活率可達(dá) (87±2)%。該研究表明生物打印技術(shù)在人牙齒組織工程 中應(yīng)用的可行性，未來(lái)有望應(yīng)用于牙再生工程。 據(jù)百度網(wǎng)頁(yè)新聞搜索得知，Objet 公司與 3Shape 公司日前宣布，兩家公司已合作研發(fā)出牙科領(lǐng)域的三維 修復(fù)方案。此方案將 Objet Eden 系列三維打印機(jī)與 3Shape Dental System 2010 進(jìn)行無(wú)縫整合，完成牙科 領(lǐng)域的三維修復(fù)設(shè)計(jì)和三維原型制作。它涵蓋了從三維 印模掃描、應(yīng)用 3Shape Dental System 完成計(jì)算機(jī)輔 助成型設(shè)計(jì)、 運(yùn)用 3Shape CAM bridge 專屬 CAM 軟件 編輯/修復(fù)三維數(shù)據(jù)，直至在 Objet Eden 系列三維打印 機(jī)上完成最終生產(chǎn)和制作等一系列的工作流程。 [45] 人造毛細(xì)血管 德國(guó)的 Gunter Tovar 博士已經(jīng) 。雖然早在 20 世 利用 3D 打印技術(shù)制造出人工血管 紀(jì) 50 年代，人造血管就已經(jīng)被研制成功，但僅限于大 動(dòng)脈血管，對(duì)于直徑在 6 mm 以下的靜脈血管或者毛細(xì) 血管的研究上， 一直沒(méi)有取得突破性進(jìn)展。 主要原因是， 人造毛細(xì)血管不僅需要足夠細(xì)小，而且還要有能和真實(shí) 血管媲美的彈性和生物相容性。德國(guó)科學(xué)家用 3D 打印 雙光子聚合和生物功能化修飾制作出的毛細(xì)血管，具有 良好的彈性和人體相容性，不但可以用于替換壞死的血 管， 還能與人造器官結(jié)合， 有可能使構(gòu)造的組織/器官實(shí) 現(xiàn)再血管化。

2.4.2 人造骨骼 人體骨骼形態(tài)極不規(guī)則，個(gè)體形 態(tài) 差異較大，因此，成批制造人工骨骼意義不大，而個(gè) 性化定制人工骨骼在臨床應(yīng)用中有廣泛需求。 瑞士伯恩塞爾醫(yī)院的 Christian Weinand 領(lǐng)導(dǎo)的研 究小組成功復(fù)制了他自己的拇指骨 [46] 。 解放軍第三軍醫(yī) 大學(xué)西南醫(yī)院關(guān)節(jié)研究中心已經(jīng)擁有自己的立體打印 骨骼的三維打印機(jī)。該科王富友博士用其打印了教學(xué)實(shí) 體器官，還用打印出來(lái)的“人造器官”為患者講解手術(shù)方 案，未來(lái)有望用于人體實(shí)驗(yàn)。 3D 打印用于人工骨的構(gòu)建時(shí)，根據(jù)使用材料的不 同，可以分為 3 種工藝：①黏結(jié)材料三維打印所用噴頭

3 討論 Discussion

組織工程學(xué)經(jīng)過(guò)近 30 余年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長(zhǎng) 足的進(jìn)步，從早期的靜態(tài)培養(yǎng)模式，到后來(lái)應(yīng)用生物反 應(yīng)器促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng) 。近年來(lái)，研究者越來(lái)越重視細(xì)胞 局部微環(huán)境和組織局部微結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育的影 響，促使研究者利用仿生學(xué)等原理，著眼于體外構(gòu)建適 P.O. Box 10002, Shenyang 110180  [3] 石靜，等. 組織工程中 3D 生物打印技術(shù)的應(yīng)用  合組織細(xì)胞生長(zhǎng)的顯微結(jié)構(gòu)，盡可能地模擬體內(nèi)環(huán)境， 從而協(xié)調(diào)不同細(xì)胞的增殖、 分化、 遷移和凋亡等。 因此， 組織工程學(xué)的關(guān)鍵在于構(gòu)建一個(gè)能夠維持細(xì)胞活力、利 于細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)輸送的三維微環(huán)境，并且該微環(huán)境能夠提供 足夠的機(jī)械強(qiáng)度，便于不同細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo) [51] 倫理要求：無(wú)涉及倫理沖突的內(nèi)容。 學(xué)術(shù)術(shù)語(yǔ)：RP 技術(shù)-即快速成型技術(shù)，是多種三維構(gòu)建 技術(shù)的總稱， 又稱為立體自由構(gòu)建。 其方法主要是先利用計(jì)算 機(jī)輔助成像技術(shù)虛擬構(gòu)建出三維數(shù)字結(jié)構(gòu)，再依此數(shù)字化模 型，以逐層加工的模式逐步構(gòu)建出所需的三維組織實(shí)體結(jié)構(gòu)。 。 組織工程構(gòu)建最關(guān)鍵的原材料是種子細(xì)胞和支架 材料，而最初用于制造工業(yè)的快速成型技術(shù)將二者可以 融合起來(lái)以完成三維構(gòu)建目的。快速成型技術(shù)是多種三 維構(gòu)建技術(shù)的總稱，包括選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成 型、立體光刻技術(shù)以及 3D生物打印技術(shù)。因此， 3D生 物打印技術(shù)是組織工程學(xué)構(gòu)建的一個(gè)分支學(xué)科。 歸納起來(lái)， 3D生物打印就是借助影像技術(shù)(CT、 MRI) 資料的輔助， 應(yīng)用CAD技術(shù)虛擬出組織或器官的三維結(jié) 構(gòu)，然后將這些三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)分為片層模型數(shù)據(jù)， 快速成型機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的材料，逐層創(chuàng)建 出實(shí)體，每一個(gè)薄層都貼敷到前一個(gè)，直到完成整個(gè)實(shí) 體的構(gòu)建

因此，3D打印可以分為3個(gè)基本步驟：前 [5] 加工即組織 /器官模型文件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；組織 /器官的打 �。� 后處理即擁有生物活性和形態(tài)的組織/器官的加工成 熟(即增殖)。 比起其他組織工程學(xué)的體外構(gòu)建技術(shù)， 3D生物打印 技術(shù)具有精度高、構(gòu)建速度快、可按需制作，以滿足個(gè) 體化醫(yī)學(xué)治療的需求、排異反應(yīng)低等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也面臨 不小的挑戰(zhàn)，包括生物力學(xué)方面、支架材料的選擇、無(wú) 菌環(huán)境的保證、 打印構(gòu)建物的成型、 打印構(gòu)建物的血供、 打印構(gòu)建物的長(zhǎng)期存活等。 因此，3D生物打印技術(shù)目前 還不是一項(xiàng)完全成熟的技術(shù)，還需要研究者的不懈努力 及攻關(guān)，目前還未能廣泛應(yīng)用于臨床。 盡管如此，國(guó)內(nèi)外不少研究中心及實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)廣泛 進(jìn)行了3D生物打印技術(shù)的臨床實(shí)驗(yàn)， 其最多應(yīng)用于骨與 軟骨組織工程，另外在口腔醫(yī)學(xué)、美容醫(yī)學(xué)等各個(gè)臨床 領(lǐng)域也都開(kāi)花結(jié)果。 總之，三維生物打印技術(shù)是組織工程學(xué)三維立體結(jié) 構(gòu)構(gòu)建技術(shù)中的一種，其有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前生 命科學(xué)領(lǐng)域、材料學(xué)領(lǐng)域、工程學(xué)領(lǐng)域、藥學(xué)領(lǐng)域等多 學(xué)科研究的熱點(diǎn)。如果“生物打印”技術(shù)成熟，也許在 未來(lái)的幾十年間，人體器官就能夠被隨時(shí)替換，從而延 長(zhǎng)人類的生命周期。但其未來(lái)發(fā)展的路還很遙遠(yuǎn)，它的 發(fā)展，它所面臨的問(wèn)題，必然需要各學(xué)科的共同努力， 需要各學(xué)科的整合，各學(xué)科的突破，才能夠最終實(shí)現(xiàn)。