3D生物打印是一個(gè)非常交叉和融合的學(xué)科，它集合了機(jī)械、材料,、細(xì)胞等多種相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù) ,，是一種利用3D增材制造原理,，利用生物材料、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞等活性材料，以重建人體組織和器官為目標(biāo)的跨學(xué)科,、跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。

　　組織醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展歷史

　　80年代組織工程的興起以及干細(xì)胞引入的再生醫(yī)學(xué)技術(shù),，讓人們看到了解決器官缺損的希望,。20世紀(jì)以后，越來(lái)越多的科學(xué)家加入到推進(jìn)再生醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展的行列中,。到2010年,，整個(gè)再生醫(yī)療產(chǎn)業(yè)逐步重構(gòu)，迎來(lái)良性的發(fā)展,。截至2014年,，全球約有700多家組織工程和再生醫(yī)學(xué)相關(guān)的企業(yè)，上市的有數(shù)百種醫(yī)學(xué)產(chǎn)品,，主要應(yīng)用于皮膚,、骨、心臟以及心血管疾病等領(lǐng)域,，被認(rèn)為是非常有希望的一個(gè)行業(yè),。

　　傳統(tǒng)組織工程

　　傳統(tǒng)組織工程的方法主要有兩種：

　　一種是使用生物相容性材料或者動(dòng)物源性的材料。由于材料在功能以及制造方法上的局限性,，修復(fù)和替代的效果往往存在缺陷，例如用脫細(xì)胞方法將牛的跟腱構(gòu)建成含有膠原的人工皮膚,，由于是異體組織且并不含有修復(fù)和替代的活性物質(zhì),，使得功效上有很大缺陷;

　　另一種是將細(xì)胞種植在預(yù)先成型的支架上。由于植入細(xì)胞技術(shù)的分辨率和支架材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制,，不能精確控制形成仿生組織的細(xì)胞的位置和分布情況,，在穩(wěn)定性和尺寸上存在限制，嚴(yán)重阻礙了組織工程的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,。

　　3D生物打印

　　由于3D生物打印能精確控制材料,、細(xì)胞的位置與分布，能夠個(gè)性化構(gòu)建組織工程產(chǎn)品,，同時(shí)具有最大仿生性和最小排異性等特點(diǎn),，解決了限制大規(guī)模生產(chǎn)的問(wèn)題，在穩(wěn)定性,、速度和成本上都優(yōu)于傳統(tǒng)組織工程方法,，因此在臨床上有更廣泛的應(yīng)用前景,。

　　3D打印在醫(yī)療上的發(fā)展和應(yīng)用大概分為四個(gè)層次：

　　沒(méi)有生物相容性的材料，用于如醫(yī)療模型和體外醫(yī)療器械等;

　　有生物相容性要求,，要進(jìn)入人體,，但是不能降解，如陶瓷等,，屬于永久植入的概念;

　　材料可降解,，也可刺激人體自身修復(fù)，但不能夠突破自身修復(fù)的限制;

　　以活性細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)等為材料,，以細(xì)胞為介入單元,，是真正現(xiàn)代意義上的3D生物打印。

　　3D生物打印技術(shù)三要素

　　3D生物打印的典型步驟是首先利用醫(yī)學(xué)影像(CT或MR)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入,，然后利用計(jì)算機(jī)的各種算法輔助解析病人數(shù)據(jù),，輸出各種打印所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并呈遞給打印機(jī)，利用細(xì)胞,、天然材料等完成打印,，整個(gè)過(guò)程還包括打印之后的成熟過(guò)程。

　　3D生物打印的技術(shù)要素為材料,、打印系統(tǒng)(軟件)以及成熟體系,。

　　3D生物打印機(jī)：

　　3D生物打印機(jī)有兩種設(shè)計(jì)理念：原位打印機(jī)，即直接在人體使用部位打印的技術(shù),，如用于皮膚燒傷治療的皮膚原位打印機(jī);另一種是非原位打印機(jī),，用于制造設(shè)備裝置。根據(jù)3D打印模式(噴頭),，可以將打印機(jī)分成三類：

　　Inkjet bioprinter：利用熱噴墨或者壓電式脈沖產(chǎn)生壓力,，成本較低，分辨率較好;

　　Micoextrusion bioprinter：形式多樣,，可以利用氣動(dòng),、活塞或者螺桿擠壓的連續(xù)擠出方式來(lái)實(shí)現(xiàn)打印，兼容材料多,、分辨率范圍較廣,、對(duì)細(xì)胞的活性損傷較少，對(duì)細(xì)胞的兼容較廣,，應(yīng)用相對(duì)廣泛,，分辨率相對(duì)其他兩種模式較低;

　　Laser-assisted bioprinter：通過(guò)激光輔助使得聚焦在吸收機(jī)片上的激光將打印材料推到集熱器上實(shí)現(xiàn)打印，分辨力較高,，成本高,。

　　打印材料的要求：

　　可打印性、穩(wěn)定性、交聯(lián)方便,，體積變化小,，容易運(yùn)輸、裝配,、操作,，以及良好的生物相容性和細(xì)胞相容性，不能對(duì)人體產(chǎn)生系統(tǒng)性傷害,。目前,，經(jīng)批準(zhǔn)臨床上可使用的材料主要是天然聚合物(用于形成細(xì)胞水凝膠)，除此之外還有一些合成多聚物,、高分子可降解材料等,。

　　細(xì)胞材料的要求：

　　細(xì)胞容易得到并且能夠大量擴(kuò)增;

　　沒(méi)有或者很低的免疫原性;

　　較高的純度或者單一的分化方向。

　　生物反應(yīng)器：

　　生物反應(yīng)器對(duì)于臨床的可用性發(fā)展非常重要,。打印出的前體物質(zhì)需要在生物反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)成熟,、增殖和培養(yǎng)過(guò)程。生物反應(yīng)器不同于細(xì)胞培養(yǎng),，當(dāng)打印物的體積較大時(shí),，其存在的缺氧問(wèn)題需要解決，如發(fā)明能夠釋放氧氣的納米材料;對(duì)于特定組織,，細(xì)胞需要的一些特定刺激才能成熟,，如周期性拉伸能促進(jìn)心肌細(xì)胞的成熟，這也是生物反應(yīng)器需要解決的問(wèn)題,。

　　3D生物打印植入物發(fā)展方向趨勢(shì)

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,，在應(yīng)用領(lǐng)域中組織工程領(lǐng)域發(fā)表文章最多，從研究領(lǐng)域的打印方式來(lái)說(shuō),，微擠出,、微流控、激光輔助等技術(shù)也非常熱門(mén);從專利申請(qǐng)方面來(lái)看,，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用突飛猛進(jìn),，許多國(guó)際大公司都有相當(dāng)多的專利，產(chǎn)業(yè)布局主要集中于細(xì)胞水凝膠,、打印構(gòu)建方法、機(jī)械設(shè)備以及生物反應(yīng)器等相關(guān)領(lǐng)域,。

　　3D生物打印技術(shù)的發(fā)展技術(shù)方向

　　3D生物打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),，主要在以下幾個(gè)方面：

　　生物打印技術(shù)上，材料對(duì)細(xì)胞的友好性,、可相容性,，材料交聯(lián)方法的集成，與軟件的結(jié)合以及在尺寸和應(yīng)用方面都需要突破;

　　三要素方面，生物材料以及細(xì)胞的選擇的優(yōu)化;

　　血管化對(duì)于復(fù)雜器官的打印必不可少,，但目前生物打印還集中在簡(jiǎn)單組織的研究上,。

　　3D生物打印三部曲

　　目前，科學(xué)家已經(jīng)成功打印出血管,、心臟瓣膜,、肌肉、神經(jīng)以及皮膚等器官和組織,。

　　3D生物打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考

　　要有全球視野,，無(wú)論是對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈還是技術(shù)的分散度，3D生物打印行業(yè)具有廣泛的全球性;

　　無(wú)論是市場(chǎng)需求還是產(chǎn)品研發(fā),，都要不斷貼近臨床需求,，從臨床需求出發(fā)，更早介入到產(chǎn)品的研發(fā)以及商業(yè)模式的打磨;

　　全球知名公司

　　3D生物打印領(lǐng)域中較早起步的商業(yè)化公司是Organovo ,，該公司專注于開(kāi)發(fā)商業(yè)化生物打印機(jī)以及打印生物類器官,。Organovo與許多大公司合作，打印的類器官可用于藥物毒性評(píng)估和藥效篩選,，這一創(chuàng)造極大地解決了在藥物開(kāi)發(fā)中無(wú)法模擬體內(nèi)情況的困境,。另外還有很多公司，如CollPlant,、CYFUSI等等,，都有自己所涉及的領(lǐng)域。中國(guó)也有很多技術(shù)前沿公司,，例如諾普,、藍(lán)光英諾、芥諾飛以及邁普再生等,，希望大家都能一起來(lái)推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域向前發(fā)展,。