3D打印在組織工程中的應用

摘 要 3D打印是指在計算機控制下，根據物體的計算機斷層掃描（ CT） 或 計算機輔助設計（ CAD） 模型等數據，通過材料的精確3D 堆積，快速制造任意復雜形狀3D 物體的新型數字化成型技術。這些打印機的用途包括打印模型、零件和玩具。3D打印機也被開發用于醫療應用，雖然醫療打印滯后于3D打印的其他用途，但它有潛力在未來十年從根本上改變醫學的實踐。

關鍵詞 3D打印 組織工程

中圖分類號：R319 文獻標識碼：A

近些年來，3D打印在各個領域興起。包括打印骨、皮膚，甚至是完整的器官。根據工作原理可將3D打印機分為三類：激光輔助生物打印、微擠壓成型生物打印和噴墨生物打印。這三種打印方法在組織工程的運用中各有優缺點。

1激光輔助生物打印

激光輔助生物打印是基于激光誘導正向轉移原理。初步開發用于轉移金屬，現已成功應用于生物材料，如肽，DNA和細胞。典型的激光輔助生物打印裝置由脈沖激光束，聚焦系統，接受基底等部件組成。因為激光輔助生物打印是無噴嘴的，所以避免了細胞或材料堵塞的問題。激光輔助生物打印擁有粘度兼容性好、打印速度快、細胞沉積密度高等有點。但激光輔助生物打印不適用與同時打印多種材料，而且由于在印刷期間金屬激光吸收層的蒸發，金屬殘留物存在于打印的結構中，容易造成對最終打印結構的污染。體內激光輔助生物打印已經用于在小鼠顱蓋3D缺陷模型中沉積納米羥基磷灰石。未來的研究可能使用生物相容性良好的材料，以便可直接植入患者體內。例如定制的非細胞生物可吸收氣管夾板，其被植入到患有局部氣管支氣管軟化患者中。此外，加入患者自身的細胞可以提高這些類型的構建體在組織的結構和功能組分上的適用性。

2微擠壓成型生物打印

微擠出生物打印機通常包括溫控材料處理系統、分配系統和載物臺，用于xyz命令和控制的攝像機，以及壓電加濕器。一些系統使用多個打印頭來促進幾種材料的串行分配，而無需重新裝配。在組織工程器官中實現生理細胞密度是生物打印領域的主要目標。一些研究機構已經使用僅由細胞組成的溶液以利用微擠出打印來創建3D組織構建體。微擠壓成型生物打印的優點是能同時打印多種材料、對細胞傷害低、對低粘度兼容性等優點。盡管可以使用低壓和大噴嘴尺寸來維持細胞活力，但缺點是分辨率和打印速度的下降。對于微擠出生物打印，研究人員經常利用熱交聯或酶交聯處理材料。幾種生物相容性材料可在室溫下流動，使得其可以和其他生物成分一起擠出，但在體溫下交聯成穩定的材料。一些研究機構已經使用僅由細胞組成的溶液以利用微擠出打印來創建3D組織構建體。目前微擠出生物打印機已經用于制造多種組織類型，包括主動脈瓣膜，外周血管以及腫瘤模型。

3噴墨生物打印

噴墨生物打印是市售的基于2D油墨的打印機的改進版本，是常用的，打印成本較低的一種技術。目前主要有加熱打印頭和聲學打印頭兩種。熱噴墨打印機通過電加熱打印頭產生壓力脈沖，從而迫使墨滴從噴嘴噴出。已有研究證明局部加熱（200℃至300℃的范圍內）對生物分子的穩定性、生物材料的機械性能和哺乳動物細胞功能沒有實質性影響。熱噴墨打印機的優點包括高打印速度、低成本和廣泛的可用性。然而，將細胞和材料暴露于熱和機械應力、較差的液滴方向可控性，液滴尺寸不均勻行、噴嘴頻繁堵塞和不可靠的細胞封裝的風險限制了噴墨生物打印在組織工程中的運用。聲學噴墨打印機包含壓電晶體，其在打印頭內部產生聲波，將液體以規則的間隔破碎成液滴。可以通過調節超聲參數，例如脈沖、持續時間和振幅，以控制液滴的尺寸和噴射速率。聲學噴墨打印機的優點包括產生和控制均勻的液滴尺寸和噴射方向性以及避免細胞暴露于熱和壓力等環境。噴墨生物打印方法的實例包括原位再生功能性皮膚物相容性化學反應或光引發劑實現含細胞材料的快速交聯。噴墨生物打印方法促進原代細胞或干細胞在病灶中均勻的沉積，并且在印刷后維持高細胞活力和功能。這些研究表明噴墨生物打印方法打印再生功能結構的潛力。

4 3D打印的前景

3D打印從出現到興起再到大規模的運用僅僅用了十來年的時間，足以見得3D打印的巨大潛力。未來，通過3D打印實現精準的、個性化的移植器官定制將不是夢想。

作者簡介：王文斌，出生于1990.11，男，福建福鼎人，2014年就讀于中國海洋大學海洋生命學院細胞生物學專業。

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