探究生命科學中的細胞3D打印

王鴻彬

摘 要：3D打印是一種通過堆疊塑料、金屬等材料生產制作三維物體的技術手段。與之相反，傳統的油墨打印機只能在二維的紙質平面上實現打印功能。3D打印技術在復雜零件制造、模具設計和新產品開發方面有很多的應用。近些年，3D打印技術逐漸與生命科學相結合，并取得了很多重要的進展。本文將探究生命科學中的細胞3D打印技術，討論其基本原理、重要進展以及發展趨勢，并分析它的技術困難，最后對細胞3D打印技術做一個總結和展望。

關鍵詞：3D打?。患毎簧茖W；進展

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0192-02

3D打印技術是近20年開始興起的一項新興制造技術。借助計算機輔助設計或計算機斷層掃描的分析，3D打印機可以將物體的結構精細化和數字化。在將結構文件分層為二維切片數據之后，3D打印機會按照分層制造、逐層疊加的方式，最終得到任意復雜形狀的三維產品。由于3D打印技術具有精確、快速、直接等特點，因此它在生命科學與生物材料等領域具有獨特的優勢。細胞3D打印就是這方面一個重要的例子，下面我們就來做具體介紹。

1 細胞3D打印

1.1 細胞3D打印原理

細胞3D打印是指利用組織器官的三維模型數據，控制3D打印機定位裝配活細胞并制造生物組織和器官的技術。細胞3D打印機一般有兩個打印頭：一個裝載生物活體細胞，這被稱為生物墨水；另一個裝載凝膠物質，打印供細胞生長的支架，這被稱為生物紙。通過交替打印生物墨水和生物紙，細胞3D打印機可以實現生物細胞的重組、融合，最終形成具有生命功能的生物組織。

1.2 細胞3D打印常見技術

由于細胞3D打印可以在微觀尺度上控制細胞的排列，并可以調節細胞間的相互作用，因此對于生物組織的研究具有重要意義?？茖W研究發現：細胞可以通過擴散自組織形成具有功能特性的生命結構?；谶@個理論基礎，目前發展出不同類型的細胞3D打印技術，包括細胞微滴沉積技術、細胞瓊脂基共混技術、細胞水凝膠共混技術等等。這些3D打印的組織細胞功能性好、存活率高、壽命長，因此為組織工程、癌細胞和干細胞等生命科學領域的研究提供了新的思路。

2 細胞3D打印的重要進展

2.1 細胞3D修復

將不同種類的生物細胞應用到細胞3D打印技術中，就可以實現細胞或組織的再生和修復。例如，以軟骨細胞溶液為生物墨水，在紫外光條件下可以實現軟骨破損部位的原位打印，這樣成型的細胞分布均勻，且與周圍的組織結合緊密。另外，利用噴墨打印的方法，可以很好地混合皮膚細胞、膠原蛋白和凝血酶，從而促進受損皮膚細胞的3D修復。特別的，在光刻技術的幫助下，細胞3D打印機還可以控制生物組織的形態與結構，實現破損部位的精確修復。有關細胞3D修復的技術現在已經相當成熟，并在醫療領域發揮越來越重要的作用。

2.2 癌細胞3D研究

癌癥是困擾人類的一大難題?？茖W研究表明：在三維環境中培養的細胞，其形態、功能、基因表達等生物特性與二維培養的細胞明顯不同。對于癌細胞來說，某些抗癌藥物只能在三維培養環境下對癌細胞起作用，在二維的環境下就會完全失效。因此，構建與人類體內環境相似的三維細胞培養模型對于癌細胞的研究顯得尤為重要。利用細胞3D打印技術，科學家可以將癌細胞在體外定位裝配成三維的類腫瘤組織模型。由于細胞3D打印技術對于癌細胞的損傷較小，因此打印的癌細胞生物活性好、存活率高，方便進行各種研究。通過與二維平面培養的癌細胞作比較，科學家發現三維培養的癌細胞在細胞形態、增殖速度、抗藥性、基因表達等方面存在顯著的差異。因此，細胞3D打印技術對于構建癌細胞的體外三維模型、癌細胞的病理機制以及癌細胞的藥物研究都有著重要的意義。

2.3 器官3D打印

很多器官功能衰竭的病人，由于器官來源不足、排異反應等原因，無法進行器官移植手術。器官3D打印技術的問世，有可能解決這個難題。相比于細胞3D打印，器官3D打印具有更高的難度。一個器官往往由很多不同種類的細胞組織所構成，要實現各個細胞組織之間的協同工作是困難的，因此相關領域的研究尚處于起步階段。目前，器官3D打印的進展主要集中在人造血管、人造骨骼、人造肝臟等方面。實驗上主要采用的是噴墨打印的方法，將不同類型的細胞存放在不同的打印頭上，用來滿足培育不同生物器官的需要。最近，有實驗組將從活體組織中提取的腎臟細胞打印在培養皿上進行培育，成功構建了腎臟的功能組織。細胞3D打印的重要目標就是實現活體的器官打印，一旦成功其價值將不可估量。

3 細胞3D打印的發展趨勢

隨著打印技術的完善和生命科學的進一步發展，未來細胞3D打印有可能在以下兩個方面取得顛覆性的突破。

3.1 3D打印干細胞

干細胞是生物體內一類重要的細胞。相比于其它的功能細胞，它并未充分分化，且發育尚不成熟。在一定條件下，干細胞可以通過不斷復制再生為各種組織器官，甚至能發育成一個完整的生物個體。因此，有關3D打印干細胞的研究為3D打印高級生物學模型提供了必要的基礎?；诩毎?D打印技術，利用胚胎干細胞、誘導性多能干細胞打印胰臟、心臟、肺等大型功能器官成為當前的一個研究熱點。干細胞的3D打印為器官的病理學研究、再生學研究、藥物學研究提供了新的啟示，并可能在相關領域帶來深刻的變革。

3.2 3D打印生命系統

細胞3D打印的最高層級就是實現體外生命系統的3D打印。細胞3D打印、組織3D打印、器官3D打印都可以看成是為實現這一宏偉目標所做的技術鋪墊。目前，科學家主要利用動物進行藥物試驗，但動物的生理系統與人類存在明顯的差異。一旦實現體外生命系統的3D打印，科學家就可以單獨培養人體的各個生理系統進行藥物試驗。這樣可以更好地模擬人體的真實情況，提高藥物測試的準確性并縮短藥物開發的周期。 3D打印生命系統還在生物編碼、仿生生物學、疾病研究等領域有著重要的應用價值，因此也成為世界各國開展廣泛競爭的一個領域。

4 細胞3D打印的技術困難

雖然細胞3D打印技術在近幾年發展很快，但總體來說還處于起步階段，還有很多技術難關需要突破。在利用噴墨式打印機打印生物細胞時，細胞會在打印過程中承受熱與機械應力，這會影響細胞的生物活性，限制細胞的生長。另外，細胞溶液還容易堵塞噴頭，因此也會影響細胞的打印效果。在打印復雜的細胞系統時，細胞間會不斷交換生物信號，調控細胞間的信號和相互作用對于細胞3D打印也尤為重要。在進一步實現器官的3D打印時，由于生物的組織器官結構復雜，不同類型細胞的功能具有多樣性，因此在控制細胞團簇的三維輸送、精確定位、排列組裝、生物制造等過程中，也可能影響生物器官的功能。未來相關的科學研究會在打印技術、細胞培育、生物材料方面力求突破，爭取早日解決這些技術難題。

5 結語

細胞3D打印技術在生命科學、材料學、分子科學等多個領域具有良好的發展前景。隨著打印性能、精確度以及細胞材料等方面的不斷完善，它的應用范圍會越來越廣。細胞3D打印還在生物醫療、器官移植等領域有著潛在的應用，因此具有重大的社會價值。目前細胞3D打印技術雖然在細胞組織培育、修復、人造器官等方面取得了階段性的進展，但離大規模的臨床應用還有一段距離?？偠灾?，細胞3D打印技術為生命科學和生物醫學提供了重要的研究手段，也為細胞科學開辟了一個新的發展方向。

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