生物3D打印：解鎖類器官奧秘的科技鑰匙

類器官

在探索生命的奧秘和疾病的診療過程中，類器官技術(shù)正逐漸成為一顆璀璨的明星。類器官，顧名思義，是指一類由干細(xì)胞或器官祖細(xì)胞在體外通過特定方法培養(yǎng)出來的、具有類似真實(shí)器官結(jié)構(gòu)和功能的微型組織。它們由多種細(xì)胞類型組成，能夠自我更新和自我組織，從而在一定程度上模擬體內(nèi)器官的發(fā)育、功能和病理過程。與傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)和動物實(shí)驗(yàn)相比，類器官能更好的模擬細(xì)胞自然生理過程，提供更精確的人類疾病發(fā)育模型和更具臨床價(jià)值的研究結(jié)果。

目前，類器官研究在疾病建模、藥物開發(fā)、再生醫(yī)學(xué)、毒理學(xué)研究和個(gè)性化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了越來越多的關(guān)注。然而，要想真正模擬人體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，除了包括不同類型的細(xì)胞外，類器官還必須解決兩大核心問題：細(xì)胞在空間中的精確定位，以及不同組織間的有效相互作用。而生物3D打印技術(shù)，正是解決這兩大問題的關(guān)鍵所在。

生物3D打印

生物3D打印技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)三維模型為“圖紙”，裝配特制“生物墨水”，最終制造出人造器官和生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的新科技手段。如果把人比作一部巨大的機(jī)器，生物3D打印的存在更像是為這部“機(jī)器”去制造那些可用來替換“有問題的零件”的技術(shù)，但目前它只能用來制作一些用于模擬“解決或發(fā)現(xiàn)故障”的仿真模型（體外模型），現(xiàn)階段距離實(shí)現(xiàn)“零件的替換”只是開始

生物3D打印研究中關(guān)鍵的三個(gè)要素是：生物墨水、打印技術(shù)以及組織重建或體外器官功能化，就第三個(gè)要素而言，其與組織工程和再生醫(yī)學(xué)之間的界限并不明顯。

生物墨水

生物3D打印組成部分就是“生物墨水”，主要由生物材料和細(xì)胞組成，是生物3D打印過程中具有挑戰(zhàn)性的一步，因?yàn)樗鼪Q定了組織結(jié)構(gòu)的整體功能。選擇這些時(shí)必須考慮幾個(gè)因素：（1）可印刷性；（2）生物相容性；（3）生物降解性；（4）機(jī)械特性；（5）仿生學(xué)特性。

打印技術(shù)

（1）擠壓式打印：基于擠出的生物打印是常用的，這種方式使用氣動或機(jī)械(活塞或螺旋)系統(tǒng)來擠出連續(xù)的生物墨水流，逐層堆積形成組織結(jié)構(gòu)。

（2）投影光固化式打印：這種方法是利用激光束對生物墨水進(jìn)行定位與控制，打印頭通過激光束的控制，將生物墨水按照預(yù)定的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行打印。

EFL生物3D打印機(jī)

EFL品牌公司推出擠出式和光固化式生物3D打印機(jī)，包括BP6601、BP6602Pro、BP8601Pro、BP8601Mix四個(gè)型號，搭配20余種系列的生物墨水，提供整套生物3D打印解決方案。

應(yīng)用實(shí)例：

組織和器官的移植再生

通過生物3D打印技術(shù)，可以根據(jù)患者的具體情況，打印出符合其需求的定制化器官，這種定制化器官不僅可以提高移植的成功率，還可以減少排斥反應(yīng)的發(fā)生。其次定制化組織和器官的解剖特征更加精確。

GelMA/HAMA復(fù)合3D打印凍干支架可用于軟骨再生^[1]

定制化醫(yī)療器械的制造

生物3D打印可以定制化制造外部支架、矯形器等醫(yī)療設(shè)備，使用患者的身體掃描數(shù)據(jù)，打印出定制化的義肢或矯形器，且根據(jù)患者的需求，調(diào)整器械的材料、硬度、彎曲度和大小，提供更好的支撐和舒適度；利用生物3D打印技術(shù)可以定制化手術(shù)器械導(dǎo)板，根據(jù)患者的解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)需求，打印出個(gè)性化的手術(shù)導(dǎo)板，以幫助醫(yī)生進(jìn)行精確的手術(shù)操作。此外，通過定制化的3D打印技術(shù)還可以將傳感器或藥物釋放系統(tǒng)集成到醫(yī)療器械中，提高其監(jiān)測和治療效果。

基于DLP打印技術(shù)構(gòu)建用于骨再生的哈弗斯類支架^[2]

藥物開發(fā)

通過生物3D打印技開發(fā)更多生理相關(guān)的模型，可以打印出人體組織的模型，用于模擬藥物在人體內(nèi)的作用和反應(yīng)，這樣可以更加準(zhǔn)確地評估藥物的療效和安全性，加快藥物的研發(fā)進(jìn)程。此外，生物3D打印技術(shù)還可以用于定制化藥物的制備，根據(jù)患者的具體情況，打印出適合其需求的藥物，例如可以制造出具有特定結(jié)構(gòu)和釋放特性的藥物輸送系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以提高藥物的療效和減少副作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Xia, Huitang, et al. Lyophilized Scaffolds Fabricated from 3D-Printed Photocurable Natural Hydrogel for Cartilage Regeneration. ACS Applied Materials & Interfaces 10.37(2018).

[2] Zhang Meng, et al. 3D printing of Haversian bone–mimicking scaffolds for multicellular delivery in bone regeneration. Sci. Adv.6,eaaz6725(2020).

[3] Tang, Min, et al. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions. Cell Res 30, 833–853 (2020).

[4] Heinrich, Marcel A, et al. 3D Bioprinted Mini-Brains: A Glioblastoma Model to Study Cellular Interactions and Therapeutics. G.I.T. Laboratory Journal Europe 3(2019):23.