生物3D打印探秘與展望

盧星漢

摘 要 隨著科學技術的發展，3D打印漸漸步入人們的日常生活中，同時，生物制造領域也成為21世紀科技的尖峰領域。當生物制造與3D打印相結合，綜合計算機技術與材料科學，便形成了一門新興的應用技術——生物3D打印技術。其在再生醫學、生物科學等方面都取得了一定的成果。本文對生物3D打印技術的背景、發展現狀進行探源，對于生物3D打印技術總結提煉出不同的層次，并分析了生物3D打印中面臨的關鍵技術，對于技術難題提出可能的解決方案，最后對于生物3D打印技術進行總結和展望。

關鍵詞 3D打印；生物制造；醫學；生物科學

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）202-0098-02

3D打印技術近日風靡世界，可這個技術嚴格來說并不能算是一個新的概念，它在19世紀上半葉的美國就已出現，當時互聯網的概念還沒有成型，而3D打印技術是由互聯網的推動進入黃金時期的。生產力水平的不斷提高，極大的變革了其技術水平和生產方式，大大降低了其生產成本，促使了3D打印黃金時期的到來。目前為止，面對如尿毒癥、惡性腫瘤等諸多醫學障礙，器官移植手術仍是最有效的臨床方式，但異體免疫排斥和供體器官的供應不足，卻導致問題連連。生物3D打印就應運而生，這種技術可以快速的制造出器官，從而很好的解決問題。

1 生物3D打印簡介

生物3D打印的基本原理和普通3D打印一樣，都是采用自下而上的方式進行材料累積和增材制造，而打印材料為“生物墨水”——生物細胞等生物材料。生物3D打印在我國具有非常廣闊的前景。我國人口基數大，因而它在我國生物醫學方面有非常大的可應用性。

由于生物3D打印技術擁有快速準確及擅長制作復雜的生物實體等特性，使得它不但可以提供供體，還可以為藥物篩選提供樣本模型，也可以把假牙、義肢等的制作變得更加私人化，更可以輕松的打造出最適合自己的人造器官，從而使其在生物醫學領域具有巨大潛力。

2 生物3D打印的不同層次

2.1 生物細胞3D打印

顧名思義，是以DNA、蛋白質及自我構建的線粒體、葉綠體等細胞的基本結構物質為打印材料進行打印的技術。但該項目目前技術水平達不到，故處于理論階段。

2.2 生物組織3D打印

生物組織3D打印是指在組織器官的三維模型的指導下，由3D打印機接受指令，定位裝配細胞材料或其他一些材料制造出來組織器官的新技術。其技術基礎源于2000年的一個科學實驗。在試驗中，科學家們將人類的動脈血管沿著縱向進行環狀切除，使其成為一個個類似于魷魚圈的結構。然后，將這一串環狀結構用一根線狀物固定在一起，經過72小時的培養之后，科學家們驚奇地發現，這些被切開的動脈血管環又重新生長到一起，形成了血管。這種自愈合的能力很具有啟發性，如果在體外，我們把不同的細胞進行3D打印，堆積成類似人類的組織或者器官的排列，這些細胞會類似前面的“魷魚圈”一樣，重新發生遷移與擴散，通過自我愈合的效應，形成一個完整的組織結構。利用這個效應，就可以實現生物組織的3D打印。

這種自愈合效應的一種應用就是生物3D打印。我們將細胞一層一層的打印在特殊的熱敏材料上，待細胞疊加完后，靜置培養一段時間，就可以得到我們所需要的生物結構組織。另外一個技術就是把漿細胞和瓊脂基復合材料混合，擠出成型，在具有交聯劑的底板上就可以獲得想要的生物組織了。

2.3 生物器官3D打印

生物器官3D打印此技術相比于生物組織3D打印來說具有更高的難度，因為它還要額外構建組織之間的聯系，這是其技術壁壘之一。最新的3D打印成果就是關于大段骨材料的修復，例如植入樹脂實體模型，然后使用真空離心澆鑄法構建三維鈦網，制作大段骨骼。除了生物3D打印大段骨之外，還可以進行生物凝膠球體的構建。另外，在現階段比較火熱的人工肝臟制造方面以及再血管化脂肪組織構建方面等，生物器官的3D打印技術都做出了突出的成就。

3 生物3D打印面臨的技術難題分析

雖然生物3D打印在經濟上正處于黃金時期，但在技術上卻處于起步階段，還有很多別的問題亟待解決。像在生物墨水的噴射過程中，它的剪切力和沖擊力，會對細胞活性造成很大的影響，并且生物墨水在噴射構型的時候，不但要符合流體力學的要求，還要必須符合生物活性的要求。這些重要因素均會減弱細胞的活性，造成細胞的損失。從打印前到打印后的液態轉化為固態的過程中，如何維持其彈性狀態等，這些都是艱難的技術壁壘。另外選擇什么樣的細胞，用在什么樣的組織或器官上都是無比重要的，不同組織所需要的細胞種類也是不同的，如血管壁細胞和心肌細胞所需要的細胞是不同的，上皮細胞和構成肺泡的細胞也是不同的。并且不是所有的細胞都可以進行體外培養，不是所有細胞在被打印機打印出來之后都能保持其原有的活性。故如何挑選、分化、培養、增殖等技術都是需要經過深思熟慮的，這就對生物3D打印技術提出了更高的要求。

除此之外，在對于組織器官的3D打印的過程中，人體不同組織器官的物理性質也是不同的，例如骨骼的堅硬和皮膚的柔軟，表皮細胞和體內細胞所適應的不同溫度。所以在3D打印的過程中就需要不同的材料，且其材料還要能最大限度的保持器官原有的細胞活性和功能。更重要的是，所選材料必須符合3D打印機所需要的材料的標準，這就使打印的難度再加大。生物3D打印的平臺也極為有限，主要有鐳射、噴繪和擠制。這三種打印平臺各有各的優缺點和特殊功能。還有對硬件的要求也是不同的，面對不同的生物組織及器官，進行不同平臺的選擇也是關鍵，這些技術難題在進行生物3D打印時都是必須優化和不斷克服的。

4 結論

生物3D打印技術具有很大的發展前景，無論是在材料學、醫學、分子科學、生物學、機械工程學等方面都有很大的發展空間。它的高精度和私人化更是其受到歡迎的主要原因之一。3D打印技術擁有較快的構建速度，可以明顯提高醫藥、器官移植方面的效率。其能從根本上解決免疫排斥反應，更是這項技術的一大亮點。但該技術還處于探索發展階段，還有待于進一步的發展與完善。

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