3D生物打印技术与器官移植

郭 鹏 林慧宁 姜光瑶 吴 江△ 庄辉辉 朱晓明

1（四川大学 华西基础医学与法医学院，成都610041）

2（四川大学 华西第四医院，成都610041）

3（成都市南丁医用材料有限公司，成都610000）

迄今为止，许多医学难题诸如肾衰竭、恶性肿瘤等，临床上的行之有效的治疗方式仍为器官移植手术，然而异体器官移植一直以来都存在着大量的问题，譬如，供体的不足。中国每年大约有150万人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年能够使用的器官数量不到1万，供求比例达到1∶150。与此同时，中国需要接受器官移植的患者数量还在以每年超过10%的增量扩大。另外，器官移植后还存在免疫排异反应，需要长期进行免疫抑制治疗。有鉴于此，临床上急需一种行之有效的方法，以解决供体器官的短缺和器官移植出现的排异反应等问题。

近年来，伴随着3D打印技术的出现，器官移植所面临的难题有了解决的可能。3D打印是基于计算机三维数字成像和多层次连续打印的一种新兴应用技术。3D生物打印则是基于3D打印的基础上，以活细胞为原料打印活体组织的一种技术。研究表明，3D生物打印可以以自身的成体干细胞经体外诱导分化而来的活细胞为原料，在体外或体内直接打印活体器官或组织，从而取代功能丧失的器官或组织，这在一定程度上解决了移植供体不足问题。因此，3D生物打印在器官移植领域以取得了一定的成绩，被应用于皮肤、骨骼、人造血管、血管夹板、心脏组织和软骨质结构的再生与重建。然而，3D生物打印技术仍然存在着一系列的技术问题及安全问题。本文主要从3D生物打印技术的发展、3D生物打印机的种类及特点、3D生物打印在组织再生和器官移植上取得的成就、3D生物打印的发展前景几个方面展开简要综述。

1 3D生物打印技术的发展

从15世纪刻板印刷术出现至工业革命期间出现工业化的印刷机，人类科技在不断的进步与创新。基于印刷可以显现二维图形的功能，人们一直希望其可以重塑物体的三维构造。1986年Charles W．Hul［1］首次提出了“3D打印”的概念。在他所说的“立体平板印刷（sterolithography）”技术中，薄层材料可经紫外线加工处理并打印出三维立体结构。该技术经不断的发展与进步，已可用于打印医学所需的一些器材，例如，临床上应用的支架和夹板的生产。近年来，人们便设想以活细胞等生物材料代替打印材料用于重构人体的器官与组织，3D生物打印技术应运而生，其种类和特点分述如下。

2 3D生物打印机的种类及特点

3D生物打印机根据其工作原理可分为三种，分别为：喷墨生物打印（Inkjet bioprinting）、微挤压成型生物打印（Microextrusion bioprinting）和激光辅助生物打印（Laser-assisted bioprinting）三类。这三类打印机在打印再生组织和器官上各有优缺点。

2．1 喷墨生物打印

喷墨式生物打印是以2D打印机改造而来，以生物材料代替油墨作为打印原料，以电控升降平台控制喷头升降，从而打出立体三维结构的构造。喷墨式打印机的原理是依靠热或声波使得液滴滴落而成型。

热喷墨打印机运行依靠电加热打印头，产生压力脉冲而使液滴离开喷嘴。其显著优点是打印速度快、成本低、应用广泛。但是其打印过程中会使得细胞和生物材料承受热和机械应力，并且其喷头易被堵塞、液滴方向性不明显、液滴大小不均匀等等，都限制了其在生物打印方面的发展。声控喷墨打印机用声辐射力量与超声波场把液滴从气液界面喷射出。可通过控制超声参数以控制液滴的大小与滴出速率。其优点是避免了热与压力对生物材料的影响，同时可控制液滴的大小、并避免了喷口堵塞。但是，该技术对所打印的材料黏度有一定的限制，即材料的粘度＜10厘泊。同时，不难看出，喷墨生物打印的一个共同缺点是生物材料必须以液态形式存在，这样才能形成液滴。同时，由于喷墨打印的方式是通过材料直接堆砌而成型，所以要求所打印对象的三维数据结构必须已知而且清晰。

2．2 微挤压成型生物打印

微挤压成型生物打印的工作原理是，将热熔性材料通过加热器熔化，材料先抽成丝状，通过送丝机构送进热熔喷头，在喷头内被加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径，挤出并沉积在指定的位置凝固成形，并与周围的材料粘结，层层堆积成型。

微挤压成型生物印刷机的价格相对来说较喷墨打印机更贵，但是其打印的准确性更高并且拥有更加出色的分辨率、速度，其空间的可控性以及在可打印的材料上亦具有更多的灵活性。但该技术应用于打印活体组织主要缺点是，打印出的组织中细胞存活率低，这一缺点在一定程度上限制了其在再生医学组织构建上的应用。

2．3 激光辅助生物打印

激光辅助生物打印机（LAB）的工作原理是在玻璃板吸收层上用激光聚焦脉冲产生一个高压液泡，将带有细胞的材料推到在接收基体上。

LAB的优点是，喷头为开放式，故其不存在喷头堵塞的问题，同时其对细胞的伤害小，细胞的存活率可达95%以上。但是其打印各类型细胞混合材料的难度大，而且价格更高，这亦一定程度上限制了其实际的临床应用。

表1 3D打印方式技术的优缺点比较

3 3D生物打印的临床应用

自2010年Organovo公司用3D打印技术打印出动脉以来，3D生物打印在组织构建的很多领域取得了丰硕的成果，经过一系列动物试验验证了3D生物打印技术在器官移植方面的应用可能性［1］。而且，近年来，3D生物打印开始逐步应用于人体器官移植。下面我们就3D生物打印在人造血管、人造骨骼、人造器官和整形外科等方面的应用进行逐一介绍。

3．1 人造血管

20世纪50年代，人们已经制造出了直径6mm以上的大动脉。然而，之后德国的Gunter Tovar博士用3D打印双光子聚合和生物功能化修饰技术制作出了毛细血管［2］。打印出的毛细血管可替换坏死的血管，也可用于与人造器官血管组织的缝合与链接，为打印器官的生物化和营养供应通道构建打下了基础。

3．2 人造骨骼

3D打印技术制造骨骼时，要求材料能为骨细胞生长发育提供良好的环境与空间。2012年艾尔肯·热合木吐拉等［3］利用3D打印技术以石膏为原料打印出了志愿者的指骨模型。比利时Hasselt大学BIOMED研究所用激光辅助3D打印技术为患者打印并移植了下颌骨［4］。3D生物打印的骨组织已越来越趋向于成熟化。

3．3 人造器官

2011年美国 Wake Forest University的 AnthonyAtala［5］在TED大会上展示了3D打印肾脏的技术，至此，3D打印人造器官技术取得了长足的发展。2013年Zeni等［6］打印出了半透明的人体肝脏模型。同年，美国Organovo用3D生物打印技术打印出了人体肝脏薄片［7］。2014年美国University of Louisville的科学家用3D打印技术打印出了心脏瓣膜和大血管［8］。可见3D生物打印在心血管、肝肾移植等方面取得了可观的成果。

3．4 3D生物打印在整形外科的应用

1992年stoker等［9］首次将3D打印技术应用于整形外科，在颅面手术之前用3D打印模型用于术前模拟。2013年，Koch等［10］用3D生物打印制造了人类皮肤组织，为皮肤移植提供了可靠的来源。由此，3D生物打印技术在面部创伤烧伤整形方面取得了长足的进步。

4 3D生物打印的发展前景

朱晓明等［11］指出，“十年后3D生物打印将是最前沿的科技”。当然，我们都希望3D生物打印技术可以像科幻电影一样发展到可以完美打印机体的器官与组织，这样的话，当我们的身体某个器官功能丧失时，通过打印技术打印一个进行移植即可。3D生物打印的肾脏可能缺乏一些肾脏的辅助功能，但却可以替代衰竭肾脏组织，为肾衰患者解决透析所带来的痛苦。科学家设想，利用基因转导技术、细胞体外培养结合3D生物打印技术，进行了人类眼角膜的体外打印实验，或直接进行角膜的原位打印，这也许为失明患者重见光明带来了希望［12］。当然，科学毕竟不是科幻，不论多么高端的科技都不能完美再现复杂的人类器官，但是我们有理由相信，3D生物打印在未来必然会引起医学史上的又一次革命，它必然会为人类带来巨大的福音［13］。

［1］ Murphy SV，Atala A．3Dbioprinting of tissues and organs［J］．Nat Biotechnol，2014，32（8）：773-785．

［2］ 石静，钟玉敏，．组织工程中3D生物打印技术的应用［J］．中国组织工程研究，2014，（2）：274．

［3］ 陈志浩，伍丽青，朱振浩，等．三维打印技术在人体器官打印中的应用［J］．广东医学，2014，（23）：3754．

［4］ Obregon F，Vaquette C，Ivanovski S，et al．Three-Dimensional Bioprinting for Regenerative Dentistry and Craniofacial Tissue Engineering ［J］．J Dent Res， 2015 ， pii：0022034515588885．

［5］ Chia HN，Wu BM．Recent advances in 3Dprinting of biomaterials［J］．J Biol Eng，2015，doi：10．1186／s13036-015-0001-4．

［6］ 杨帆，杨延坤，郑宏，等．3D打印技术在先天性心脏病诊疗中的应用［J］．中国介入影像与治疗学，2014，（9）．630．

［7］ Zhang X，Zhang Y．Tissue Engineering Applications of Three-Dimensional Bioprinting．Cell Biochem Biophys．2015 Feb 7．［Epub ahead of print］．

［8］ Cui X，Boland T，D＇Lima DD，et al．Thermal inkjet printing in tissue engineering and regenerative medicine ［J］．Recent Pat Drug Deliv Formul，2012 ，6（2）：149-155．

［9］ Seol YJ，Kang HW，Lee SJ，et al．Bioprinting technology and its applications ［J］．Eur J Cardiothorac Surg，2014，46（3）：342-348．

［10］ Zein NN，Hanouneh IA ，Bishop PD，et al．3-imentiona（3D）print of liver donor liver for preoperative panning in live donor liver transplantation．Liver Transpl，2013，19：1304-1310．

［11］ 朱晓明，曹莹．朱晓明谈科技预测与科技创新［J］．浦东开发，2014，（1）：54．

［12］ Sharma A，Tandon A．Gene therapy in the cornea：2005--present．Prog Retin Eye Res，2012：43-64．

［13］ Ozbolat IT，Yu Y．Bioprinting toward organ fabrication：challenges and future trends［J］．IEEE Trans Biomed Eng，2013，60（3）：691-699．