生物3D打印是3D打印技術(shù)革命中非常新奇有趣的一個(gè)應(yīng)用，但到目前為止我們?nèi)匀粠缀鯚o(wú)法制備具有生理功能并且可以長(zhǎng)期存活的復(fù)雜組織。不過(guò)，從中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所和清華大學(xué)傳來(lái)了喜訊，兩家單位的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)突破了相關(guān)技術(shù)瓶頸，成功打印出具有體外活性的心肌組織。該成果已于今年2月在線發(fā)表。

△（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

生物3D打印是利用3D打印機(jī)，將含有細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和生物材料的生物墨水打印出仿生組織結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)都有哪些值得探討的地方，中國(guó)科學(xué)家們又取得了怎樣的突破，一起來(lái)看看吧。

一、生物3D打印技術(shù)難關(guān)之一——生物墨水

醫(yī)療行業(yè)從2014年開始集中關(guān)注器官組織的3D打印技術(shù)，其中最為人所知的主要是利用金屬、陶瓷、塑料等材料制成填充物，修復(fù)骨骼等堅(jiān)硬的人體部分。此外，3D打印技術(shù)還可以制成心臟等臟器的硅膠模型，以便外科醫(yī)生在正式手術(shù)前研究療法或進(jìn)行演練。

△計(jì)算機(jī)斷層掃描后3D打印的棘龍頭骨（兩種尺寸）（圖片來(lái)源：維基百科）

之后，隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，如何選擇合適的材料和工藝，實(shí)現(xiàn)打印皮膚、眼角膜這些既需要生物相容性、也對(duì)柔軟度和韌性有較高要求的組織和器官，成為了如今的研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，生物墨水這一新概念也逐漸走進(jìn)了大家的視野。能否打印出人體器官組織，最關(guān)鍵的技術(shù)之一便是用于3D打印的原材料，也就是生物墨水。

在目前的生物3D打印技術(shù)中，單獨(dú)的細(xì)胞本身無(wú)法充當(dāng)打印材料，因此需要一些特殊的物質(zhì)，作為支撐細(xì)胞存活的基質(zhì)?；|(zhì)與細(xì)胞融合后，混合物再?gòu)拇蛴C(jī)的噴頭中噴射出來(lái)用于打印，這種混合物便是生物墨水（有時(shí)生物墨水也單指基質(zhì)本身）。根據(jù)制法、原料的不同，生物墨水的性能也不盡相同，但成分來(lái)說(shuō)大多是含有干細(xì)胞的水凝膠。以膠原、明膠、玻尿酸、褐藻酸以及納米植物細(xì)胞等生物聚合體作為基礎(chǔ)的生物墨水，具有良好的生物相容性，同時(shí)容易進(jìn)行3D打印。打印出的構(gòu)造可以模仿真實(shí)的細(xì)胞間基質(zhì)，這也讓打印復(fù)雜的立體組織結(jié)構(gòu)成為可能。

△3D生物打印的適用范圍（從分子、細(xì)胞再到組織和器官）（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

生物墨水對(duì)材料的要求極高，必須滿足以下三點(diǎn)才可以打印出合適的組織。第一，細(xì)胞相容性，以保持干細(xì)胞的活力。第二，合適的硬度，以保持干細(xì)胞的形狀。第三，適宜的柔軟度和粘度，以保證其能被打印機(jī)的噴嘴噴出。

為了滿足這些要求，科學(xué)家們進(jìn)行了不斷地實(shí)踐。2017年，瑞士廠商推出了一款新型的合成生物3D打印墨水，其主要成分是水凝膠，能提供一種三維的肽納米纖維支架，從而促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和移動(dòng)。之后，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出了一種內(nèi)含不同種類細(xì)菌的3D打印生物墨水，依據(jù)各種類型細(xì)菌的特性，可以適用于皮膚移植、化學(xué)物質(zhì)降解等多個(gè)領(lǐng)域。2019年，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)使用生物墨水成功打印了人體角膜，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不到10分鐘。研究人員將來(lái)自健康供體角膜的干細(xì)胞與藻酸鹽和膠原蛋白混合在一起，創(chuàng)造出了這款新型生物墨水。

△即便是角膜也具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：維基百科）

二 、生物3D打印技術(shù)難關(guān)之二——打印機(jī)

3D打印組織器官除了對(duì)生物墨水有極高的要求，也需要能配合其使用的打印機(jī)。2016年，瑞典一家公司就推出了使用生物墨水的專用3D打印機(jī)。他們研發(fā)出的配套生物墨水是以納米纖維素為基礎(chǔ)的水凝膠，這種材料提供了與細(xì)胞外基質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)，能夠讓細(xì)胞與墨水混合打印。該3D打印機(jī)只要先進(jìn)行立體印刷，再對(duì)打印完的結(jié)構(gòu)進(jìn)行交聯(lián)，形成的組織就變得容易后處理并且耐沖擊。

大多數(shù)3D生物打印機(jī)都采用了特殊的結(jié)構(gòu)，這也讓液滴噴射過(guò)程中，剪切力和液滴的沖擊力對(duì)細(xì)胞活性造成的沖擊可以最小化。打印機(jī)的噴頭孔徑一般為150微米到2毫米之間。打印過(guò)程中細(xì)胞或分子保持液態(tài)，打印后可以短時(shí)間凝固，呈現(xiàn)黏彈性狀態(tài)。這種液態(tài)到固態(tài)的變化可以盡量減少對(duì)細(xì)胞、生物活性因子以及其他微粒的損傷，保證細(xì)胞的存活，從而有利于體外培養(yǎng)。打印過(guò)程中，需要將生物墨水打印在生物支架上，打印后該支架不僅能起到維持細(xì)胞混合體三維結(jié)構(gòu)的作用，同時(shí)還可以維持后續(xù)細(xì)胞的生長(zhǎng)和存活率。隨著細(xì)胞的成活以及組織的形成，這些生物支架又可以經(jīng)處理自行降解。

三、生物3D打印技術(shù)難關(guān)之三——印刷工藝

在生物墨水和打印機(jī)之外，還有一項(xiàng)因素非常關(guān)鍵，這就是印刷工藝。好的工藝可以將材料和設(shè)備本身的潛力發(fā)揮到最大，同時(shí)盡量避免暴露材料或者設(shè)備的缺陷。很多時(shí)候材料和設(shè)備的性能提升會(huì)陷入瓶頸，這時(shí)就需要仰仗于工藝角度的創(chuàng)新。當(dāng)然，工藝本身和材料與設(shè)備并不能嚴(yán)格割裂，很多時(shí)候工藝的改進(jìn)過(guò)程本身也會(huì)對(duì)材料和設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。

之前的生物3D打印技術(shù)存在的最大問(wèn)題就是很難重現(xiàn)真正的組織結(jié)構(gòu)，打印出的產(chǎn)物并非是三維有機(jī)體，而是一個(gè)細(xì)胞群構(gòu)成的團(tuán)塊。團(tuán)塊中細(xì)胞之間的連接方式以及細(xì)胞在基體中的位置，都非常的隨意而松散，與真正生物體中的有序結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。而器官又是在組織的基礎(chǔ)上形成的，假如連接近真實(shí)情況的組織都無(wú)法生產(chǎn)，3D打印器官就是更加遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想了。不過(guò)，本次中國(guó)科學(xué)家們獲得的新成果，就很好地再現(xiàn)了打印組織的三維結(jié)構(gòu)，這其中的關(guān)鍵就是打印工藝的革新。

研究團(tuán)隊(duì)首先將六軸機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理融入到生物3D打印技術(shù)中，這種機(jī)器人具有六個(gè)可以360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，所以改進(jìn)后的3D打印機(jī)可以在空間內(nèi)以任意角度進(jìn)行細(xì)胞打印，極大地增加了3D打印的靈活性。傳統(tǒng)技術(shù)條件下，打印過(guò)程一般為自下而上的逐層累加，細(xì)胞和血管網(wǎng)絡(luò)也因此而難以有機(jī)融合。

△專門用于生物3D打印的六軸機(jī)器人（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

我國(guó)研究人員重新設(shè)計(jì)了循環(huán)式的“打印-培養(yǎng)”工藝，不追求一次成型，添加了培養(yǎng)工序。具體而言就是在血管支架上打印出若干層細(xì)胞后，再對(duì)其進(jìn)行的一段時(shí)間的整體共培養(yǎng)。當(dāng)打印細(xì)胞之間誘導(dǎo)出具有生理功能的胞間連接和新生毛細(xì)血管網(wǎng)后，再進(jìn)行新一輪細(xì)胞打印。這種方法雖然在生產(chǎn)效率上處于劣勢(shì)，但在印刷質(zhì)量方面具有優(yōu)勢(shì)，不僅可以更好地再現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)，還可以保證打印組織的長(zhǎng)期存活。

經(jīng)過(guò)種種努力，我國(guó)科研人員最終研發(fā)出了具有內(nèi)生毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，且能夠在體外存活的心肌組織。更絕的是，這些組織可以在體外起搏超過(guò)6個(gè)月，展示出了良好的生理活性和應(yīng)用前景。將類似的工藝應(yīng)用于其它的干細(xì)胞和生物墨水體系，就有希望誘導(dǎo)培養(yǎng)出其它的人體組織。在未來(lái)，3D打印所需的干細(xì)胞將直接來(lái)自于患者，這些自體細(xì)胞在移植入身體后，將不會(huì)產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)，從而同時(shí)解決供體不足和免疫排異這兩大難題。

隨著3D生物打印技術(shù)的日趨成熟，生物墨水的種類也將越來(lái)越豐富，相應(yīng)的設(shè)備和材料也會(huì)實(shí)現(xiàn)成本降低。雖然目前人類的科學(xué)水平還不足以直接在體外培育人體器官，但不得不說(shuō)中國(guó)科學(xué)家們的成果讓我們向這一夢(mèng)想前進(jìn)了一小步。相信總有一天，我們能夠攻克萬(wàn)難，解決器官移植供體不足的難題，造福于全體人類。

出品：科普中國(guó)

作者：李卓思（生物學(xué)博士/教授）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

參考文獻(xiàn)：

1. A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2452199X22000743

2. Recent advances in bioprinting techniques: approaches, applications and future prospects

https://translational-medicine.b ... 6/s12967-016-1028-0

3. 【CELLINK社製　3Dバイオプリンター】

http://www.filgen.jp/Product/SI/Cellink/index2.html

4. 【人工皮膚を3D印刷できるバイオプリンターを開発！35分で1㎡の移植用皮膚を作成可能】

https://www.dtod.ne.jp/world_topics/article82.php