生物33DD打印的研究進展

王錦陽，黃文華南方醫科大學基礎醫學院人體解剖教研室//廣東省生物力學重點實驗室，廣東廣州510515

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生物33DD打印的研究進展

王錦陽，黃文華
南方醫科大學基礎醫學院人體解剖教研室//廣東省生物力學重點實驗室，廣東廣州510515

摘要：3D打印技術是基于計算機三維數字成像技術及多層次連續打印的一種新興應用技術。生物3D打印技術則是基于3D打印的基礎上，以活細胞為原料結合生物材料、生命體材料的拓展延伸，打印活體組織與器官的一種技術。生物3D打印技術已在再生醫學及器官移植方面取得了一定的成果，被應用于骨骼、皮膚、人造血管、心臟組織等再生與重建領域。本文主要從生物3D打印技術的方式及特點，生物3D打印技術的研究現狀與應用，生物3D打印的發展前景的展望等幾個方面進行簡要的綜述。

關鍵詞：生物3D打??；研究現狀；應用領域

當前，被譽為“第3次工業革命的重要標志之一”的3D打印，正發展成為醫學工程中的一項熱門研究技術，其相關研究在國內外掀起了一波新的發展熱潮。生物3D打印是3D打印技術的一個分支，是目前3D打印技術研究的最前沿領域，也是3D打印技術中最具活力和發展前景的方向［1］。生物3D打印是生命科學、材料科學、制造科學交叉融合的新興產物，在生物體外構建具有一定生物功能的組織和器官，用于病損組織和器官的修復與替代［2］。這個新技術通過解決了傳統醫學問題中的瓶頸問題而備受關注，大幅提高醫學發展水平，成為令人矚目的生命科學前沿。本文主要從生物3D打印技術的方式及特點、生物3D打印的研究現狀、生物3D打印的應用于生物3D打印的發展前景幾個方面展開簡要綜述。

1　3D打印技術和生物3D打印技術概述

3D打印技術，又稱3D快速成型技術或增材制造技術，是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一項制造技術，它以數字化、網絡化、個性化、定制化為特點，被認為是推動第3次工業革命的核心技術，目前已被各國作為戰略化新興產業大力發展［3］。3D打印技術是將物體的CT成像數據或計算機輔助設計（CAD）模型數據，以STL格式文件輸入計算機系統中，分成若干層二維平面數據，通過計算機控制的3D打印系統使激光束按照計算機指定路徑掃描，按照“分層制造，逐層疊加”的原理，將打印材料材料在激光產生的高溫下熔融后立即固化，固化的材料逐層疊加打印，最終獲得與原型相一致的三維產品的新型數字化成型技術［4］。由于3D打印技術可以制造出傳統技術無法完成的結構，開辟了巨大的數字設計空間，卻不增加制造的時間與成本，因此成為科技新焦點并吸引了全球的目光。然而，在生物醫學領域內，目前已采用生物3D打印技術制造出骨骼、皮膚、血管、腎臟等人體器官。生物3D技術是以計算機三維模型為基礎，通過離散-堆積的方法，將生物材料或細胞按仿生形態、生物體功能、細胞特定微環境等要求，用增材制造法打印出同時具有復雜結構與功能的生物三維結構、體外三維生物功能體、再生醫學模型等生物醫學產品的3D打印技術，該技術在生命科學領域的應用日益廣泛，現已成為21世紀最具發展潛力的前沿技術之一。

2　生物3D打印技術的方式和特點

2.1噴墨生物打印

噴墨式打印機的原理是，依靠聲波或熱使得生物材料液滴滴落而成型。聲波噴墨打印機用聲輻射力量與超聲波場把液滴從氣液界面噴射出，通過控制超聲參數以控制液滴的大小與滴出速率，其優點是避免了熱與壓力對生物材料的影響，同時可控制液滴的大小、并避免了噴口的堵塞，缺點是對打印的材料黏度有一定的限制；熱噴墨打印機運行依靠電加熱打印頭，產生壓力脈沖而使液滴離開噴嘴，其優點為打印速度快、成本低、應用廣泛，但在打印過程中會使細胞與生物材料承受熱與機械應力，并且其噴頭易被堵塞、液滴方向性不明顯、液滴大小不均勻等［5］。不難看出，噴墨生物打印的局限性是生物材料必須以液態形式存在，才能形成液滴。

2.2微擠壓成型生物打印

微擠壓成型生物打印的工作原來是，將熱熔性材料通過加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過送絲機送進熱熔噴頭，在噴頭內被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半流動狀態的材料按CAD分層數據控制的路徑，擠出并沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘接，層層堆積成型［5］。該技術的缺點是，打印出的細胞存活率低，限制了其在再生醫學組織構建方面的應用。

2.3激光輔助生物打印

激光輔助生物打印機（LAB）的工作原理是，在玻璃板吸收層上用激光聚焦產生一個高壓液泡，將帶有細胞的材料推到接受基體上，其優點是噴頭為開放式，不存在噴頭堵塞的問題，同時對細胞傷害小，細胞存活率高達95%以上，缺點為價格較高，限制了其臨床應用［6］。

3　生物3D打印技術的研究現狀

3.1生物3D打印技術在國外的發展

目前，生物3D打印技術在國外發展迅速，得到制造、生物科學等領域科研人員的重點關注。2009年，韓國浦項科技大學的Lee等［7］在生物制造領域使用微型SLA技術生產組織支架。英國諾丁漢大學教授Sawkins等［8］利用細胞和蛋白兼容生物3D打印技術制造出機械性強度的結構用于骨修復。哈佛大學工程與應用學院教授Kolesky等［9］基于生物3D打印技術構造出異構細胞結構的血管。美國大力加強生物3D打印技術的研發，如：三維乳房癌組織測試系統的研究、細胞打印應用于創面修復的研究、基于細胞組裝的集成微肝臟模擬壯志的研究等［10］。麻省理工學院（MIT）、美國德雷賽爾大學（Drexel）等研究機構在細胞3D打印、器官打印等領域專注研究。部分醫療研究機構及公司利用生物3D打印技術打印出動脈、心肌組織、肺臟、腎臟等人體器官。Lee［11］科研組制備了內徑1 mm的3D打印水凝膠管道模型，成功誘導周圍毛細血管形成了微血管床。Koch等［12］研究證實了將負載成纖維細胞與角化細胞的膠原為原料，經3D打印技術用于皮膚組織再生的可行性。

3.2生物3D打印技術在國內的發展

國內的生物3D打印技術發展勢頭迅猛，接近國際水平。來自杭州電子科技大學徐銘恩團隊自主研發出一臺生物材料3D打印機，目前已在這臺打印機上成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等［13］。該研究成果被國際頂尖期刊Biomaterials評為2012年在生物3D打印領域的最高水平。中國臺北國立臺灣大學分子科學與工程學院的Hsieh等［14］利用溫敏生物材料載神經干細胞結合生物3D打印技術在中樞神經系統修復的應用。清華大學徐弢等[15]利用心肌細胞和生物材料模擬打印了動物心臟。發現打印出的細胞能夠有節奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細胞進行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。同時，千人計劃國家特聘?？翟＝▓F隊利用Rollovesseller3D打印平臺，以含種子細胞、生長因子和營養成分等組成的“生物墨汁”，結合其他材料層層打印出產品，經打印后培育處理，形成有生理功能的組織結構；并發明生物打印的核心技術生物轉的專利，即一種新型的精準的具有仿生功能的干細胞培養體系。國內生物3D打印技術發展迅速，已在細胞、器官、醫療植入體等多個應用領域發展。

4　生物3D打印技術的臨床應用

4.1人造骨骼

由于人體骨骼形態不規則，個體形態差異較大，因此，個性化定制人工骨骼在臨床應用中有廣泛的需求。瑞士伯恩塞爾醫院的Weinand［16］領導的研究團隊成功復制了他自己的拇指骨。比利時哈塞爾特大學BIOMED研究所利用激光輔助3 D打印技術為患者打印并移植了下頜骨［16-17］。南方醫科大學黃華軍等［18］收集臨床復雜脛骨平臺骨折病例以及常用脛骨平臺鋼板的CT數據，進行骨折三維重建、虛擬復位以及建立鋼板三維模型庫，然后進行內固定方案的數字化設計。3D打印出骨折復位模型以及鋼板模型，在3D模型上按照數字化設計內固定方案進行模擬手術，結果顯示3D打印技術結合數字化設計能有效的提高復雜脛骨平臺骨折內固定植入效果。

4.2人造血管

當代，隨著心腦血管疾病的增多，臨床上對血管移植物的需求日益突出。如今，利用生物3D打印技術可以方便快速地制造出可供移植的血管和血管修復材料。新加坡南洋理工大學的Leong等［19］試圖利用選擇性激光燒結制造血管支架結構，研究適合于SLS技術的聚合物及其成形結構的特性，提出了制造條件、制造精度、材料生物相容性和可重復性是3D打印技術的關鍵要素。又如，美國賓夕法尼亞大學Miller等［20］首先將碳水化合物玻璃打印成網格狀模板，用澆注法復合載細胞水凝膠形成管道狀血液通路。Lee等［21］制備了內徑1 mm的3D打印水凝膠管道模型，成功誘導周圍毛細血管形成了微血管床。德國的Gunter Tovar博士利用3D打印雙光子聚合和生物功能化修飾制作出毛細血管，具有良好的彈性與人體相容性，不但可以用于替換壞死的血管還能與人造器官結合，還可能使構造的組織與器官實現再生血管［21］。

4.3人造器官

2011年美國Wake Forest University的AnthonyAtala在TED大會上展示了3D打印腎臟的技術，至此，3D打印人造器官技術取得了長足的發展［22］。美國Organovo公司利用生物3D打印技術打印出人體肝臟薄片，微型肝臟只有0.5 mm厚、4 mm見方，卻具有真正肝臟的大多數功能。杭州電子科技大學的徐銘恩教授團隊自主成功研制出了可打印生物材料和活細胞的商品級3D打印機，目前已在這臺打印機上成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等。肝小葉是肝結構和功能的基本單位，模仿肝小葉結構制備肝單元，是制造人工肝臟的關鍵步驟。

4.4皮膚修復

研究者探索將不同細胞外基質應用于皮膚3D打印技術中，最大限度提升皮膚的活性及其他天然屬性，從而有效促地進移植后受損皮膚的修復及打印皮膚與正常皮膚創緣的融合。在這方面，Baca等［22］采用多孔納米生物材料模擬細胞外基質，證實該納米生物材料可保持細胞的水分、滲透壓、pH值等理化特性，并有效促進和維持細胞的生長。采用靜電紡絲技術制成多層膠原支架，同時將人皮膚成纖維細胞和角朊細胞直接沉積在支架上，取得了良好的皮膚組織再生效果［23］。Hahn等［24］用光刻技術修飾融化凝膠模型的表面形狀，將人真皮成纖維細胞加在凝膠內，將其打印在透明載體上，這樣細胞只能黏附在暴露的或不被修飾的凝膠表面，繼而實現讓細胞在必要的區域生長。借此更好地控制打印出的皮膚組織塊形態和結構，保證打印的皮膚組織與傷口皮膚缺損完全吻合，為臨床中的個體化治療奠定基礎，并實現3D打印皮膚向轉化醫學的順利過渡。

5　展望

抓住生物3D打印新一輪的發展契機，對發展我國生物3D打印技術的研究步入國際先進水平具有十分廣闊的發展前景。目前，生物3D打印技術，機遇與挑戰并存，如：單細胞、多種細胞、細胞團簇的受控三維空間輸送、精準定位、排列與組裝，以及生物制造過程中對細胞的損傷及生物功能的影響等。由于人體復雜的器官結構及功能的多樣性，細胞與生物材料的特殊性，材料學、制造學、生物學等多交叉學科的合作及多噴頭生物3D打印設備的應用，必將成為學科未來發展的趨勢與主流，也是實現復雜器官制造的核心所在。在不遠的將來隨著研究的不斷深入、各學科的整合與突破、諸多科學問題的逐一突破，生物3D打印將會成為一種非常簡單、容易、迅速的醫療技術，也將成為臨床上最為準確、快捷、有效的修復手段，最終高效應用于臨床，造福于患者。

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醫學教育

Research status and application of 3D bio-printing

WANG Jinyang, HUANG Wenhua
Department of Anatomy, National Key Discipline, School of Basic Medical Sciences, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China

Abstract:3D print is a new applied technology that based on the computer three-dimensional digital imaging technology and multi-level continuous printing. 3D bio-printing is based on 3D print, which is the extension of living cells combine with biological materials and life materials to print living tissues and organs. 3D bio-printing has made some achievements in the field of regenerative medicine. It has been used in the regeneration and reconstruction of the bone, skin, blood vessel, cardiac tissue, etc. In this paper, a brief review was made of the types and features of 3D bio-printing, the research status and application of 3D bio-printing and the development prospects of this technology, ect.

Key words:bio-3D printing; research status; application fields

通信作者：黃文華，教授，電話：020-61648181，E-mail: Hwh@fimmu.com

作者簡介：王錦陽，在讀博士研究生，E-mail: wangjinyang327@aliyun. com

基金項目：廣東省科技計劃項目（2014B090901055）；廣東省科技計劃項目（2015B010125005）

收稿日期：2015-12-01