周琪最新文章：生物三维打印的研究进展

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生物通报道：三维(3D)打印具有灵活性和精密性的特点, 已在军工、航天等制造行业中发挥重要作用. 随之兴起的生物3D打印在再生医学领域同样具有广泛的应用前景. 生物3D打印是将打印的墨水改成含有活细胞的混合物, 从而构建活体组织器官. 目前生物3D打印更多的是应用于硬组织的仿生重建和新型给药装置的制备, 但具有生物活性、更复杂的组织器官的重建还处于探索阶段. 近期来自中国科学院动物研究所，澳大利亚卧龙岗大学的周琪研究员等人介绍了3D打印在生物医学上的应用, 讨论生物3D打印目前面临的问题, 并探讨生物3D打印的未来发展方向.

伴随工业制品精度的提高和个性化的发展, 三维(3D)打印技术应运而生. 相对于传统的模型构造技术而言, 3D 打印可以通过逐层打印完成立体结构的成型. 因为单层的打印类似于二维的打印技术, 所以这个技术被称为三维打印. 3D 打印过程中, 通过软件设计确定打印出的性状, 通过改变材料来确定结构的组成, 通过挤压、激光或高温等物理条件的控制来确定最后的成型. 它不仅可以快速打印出复杂的三维结构也可以满足个性化的需求. 所以3D打印技术已经应用于众多领域, 比如生物医学领域.

生物材料和细胞生物学的发展为仿生和再生医学提供了广阔的应用前景. 目前在仿生医学领域, 不仅可以利用生物活性材料进行骨骼修复, 还开发出较复杂的助听器, 仿生眼已进入临床, 仿生心脏等器官也有新的突破. 3D打印技术可以完成硬组织的打印, 尤其针对不同的病人, 其缺损和伤害的部位大小等不同, 通过3D扫描得到其具体的参数, 从而3D打印出的组织可以很好地与原组织互补并最大限度保留原来健康的组织. 细胞移植在多种疾病的治疗上已有临床案例. 人体的每个部位都有特殊的构造, 传统培养方式无法将不同类型细胞组装构建成复杂的组织, 而在理想状态下通过3D打印技术设计出正常的组织构造, 将生物材料与细胞作为“墨水”, 打印出复杂的人体器官.

在这篇文章中，研究人员将概述3D打印技术, 着重描述生物3D打印的类型及其在生物学和医学中的应用, 综述关于生物3D打印的最新研究进展, 分析目前生物3D打印所面临的问题, 提出将来生物3D打印的发展方向, 为相关领域的研究提供参考.

作者指出，生物3D打印为未来的器官移植提供了美好的前景, 但是目前还未有成功的具有生物活性的3D打印器官的应用.

人类机体的各个组织和器官都有复杂的结构, 尤其是有不同类型细胞的组合, 不仅需要体外功能检测, 还需要在体内与其他器官相互作用. 细胞存活、组织再构建是目前生物3D打印正在克服的问题. 完成一个完整器官的打印不仅时间较长, 并且所需要很大的细胞量, 在长时间的打印过程中如何保证打印的精度以及细胞的生命力成为打印器官面临的重要问题. 打印头可以包裹一层铝合金或以其他材料处理, 从而避免紫外线或其他激光的照射. 喷头的设计和原料的选择都影响长时间打印中喷头的打印精度.

为了维持细胞的活性及相互作用, 完成整个组织器官的功能, 打印的材料中不仅含有本身作用的细胞也含有维持细胞活力的培养液及细胞间相互作用的基质, 甚至含有起到支架成型作用的材料. 激光介导的3D打印技术已可以利用水凝胶打印出复杂的立体组织支架结构, 但在立体结构凝结过程中所涉及的高温、高压或与乙醇等毒性溶剂的接触都会导致细胞死亡. 目前来说, 通过调节合适温度或者pH已经可以将细胞和水溶胶混合物打印出简单三维结构的组织, 但是这些只是形状上的突破或者仅是细胞和组织的黏合, 并没有真正的功能出现. 细胞之后的扩展、相互作用及功能的实现仍是目前面临的主要问题, 尤其是针对较为大型结构的组装和打印, 应该保证在合适的外在条件下打印出的组织器官也可进行自我修复和组装.

在确保细胞活力的基础上, 生物3D打印面临的重要问题就是如何实现打印后支架的功能, 如何在支架中看到细胞间的相互作用及特定功能基因的表达.

另外面临的主要问题是打印过程中的血管组织的布局和组装, 任何一个器官都需要毛细血管网络来进行氧气、细胞因子和能量的供应, 也需要进行废弃物的排放. 目前已有通过组织培养法将内皮细胞培养出具有血管样的心肌组织结构, 并具有一定功能, 但是体外维持较为复杂, 并且未成熟的管状组织较多, 功能受到影响. 所以功能性的、含有血管的三维组织构建, 是生物3D打印面临的另一大挑战.

细胞来源是生物3D打印面临的首要问题, 这不仅涉及细胞的存活更涉及细胞的拓展、黏附和功能的发挥, 而干细胞则可能解决以上问题. 干细胞活力较高, 可塑性强, 并且在合适的环境下会分化为特定功能的细胞或发挥出相应的功能. 这样可以减少打印过程中细胞的应用, 节约打印时间, 并且为器官的功能发挥创造了条件. 也许在器官打印的过程中可以选择干细胞作为部分来源原料, 但具体的比例需要进一步的实验摸索.

未来仍需要很长一段时间来摸索合适的细胞和适合的组织器官以及在构成器官中细胞如何更好地互作. 理想的生物3D打印是对损伤部位的原位打印, 尤其是创伤部位的补充, 这不仅要求打印机快速运转也要求模型的有效构建, 此想法的实现会完成生物医学领域的一次革命.

在面临一些技术难题的同时, 对于一个生物打印机装置和打印器官的应用需要完整的安全评价体系的建立, 目前还未有生物3D 打印材料的应用. 生物三维组织打印是一项复杂的新技术, 并且包含大量细胞扩增过程中的安全保证, 整个打印系统需要生物安全性的评估和相应法律法规的考核. 国内外的法律法规也需进一步完善. 总之, 生物3D打印在未来有广阔前景但同时这个新兴的领域需要众多技术的改革和支持.

原文检索：

顾奇, 郝捷, 陆阳杰, 等. 生物三维打印的研究进展. 中国科学: 生命科学, 2015, 45: 439–449
Gu Q, Hao J, Lu Y J, et al. Three-dimensional bio-printing. Sci China Life Sci, 2015, 58: 411–419, doi:10.1007/s11427-015-4850-3