生物3D打印探秘与展望

卢星汉

摘 要 随着科学技术的发展，3D打印渐渐步入人们的日常生活中，同时，生物制造领域也成为21世纪科技的尖峰领域。当生物制造与3D打印相结合，综合计算机技术与材料科学，便形成了一门新兴的应用技术——生物3D打印技术。其在再生医学、生物科学等方面都取得了一定的成果。本文对生物3D打印技术的背景、发展现状进行探源，对于生物3D打印技术总结提炼出不同的层次，并分析了生物3D打印中面临的关键技术，对于技术难题提出可能的解决方案，最后对于生物3D打印技术进行总结和展望。

关键词 3D打印；生物制造；医学；生物科学

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）202-0098-02

3D打印技术近日风靡世界，可这个技术严格来说并不能算是一个新的概念，它在19世纪上半叶的美国就已出现，当时互联网的概念还没有成型，而3D打印技术是由互联网的推动进入黄金时期的。生产力水平的不断提高，极大的变革了其技术水平和生产方式，大大降低了其生产成本，促使了3D打印黄金时期的到来。目前为止，面对如尿毒症、恶性肿瘤等诸多医学障碍，器官移植手術仍是最有效的临床方式，但异体免疫排斥和供体器官的供应不足，却导致问题连连。生物3D打印就应运而生，这种技术可以快速的制造出器官，从而很好的解决问题。

1 生物3D打印简介

生物3D打印的基本原理和普通3D打印一样，都是采用自下而上的方式进行材料累积和增材制造，而打印材料为“生物墨水”——生物细胞等生物材料。生物3D打印在我国具有非常广阔的前景。我国人口基数大，因而它在我国生物医学方面有非常大的可应用性。

由于生物3D打印技术拥有快速准确及擅长制作复杂的生物实体等特性，使得它不但可以提供供体，还可以为药物筛选提供样本模型，也可以把假牙、义肢等的制作变得更加私人化，更可以轻松的打造出最适合自己的人造器官，从而使其在生物医学领域具有巨大潜力。

2 生物3D打印的不同层次

2.1 生物细胞3D打印

顾名思义，是以DNA、蛋白质及自我构建的线粒体、叶绿体等细胞的基本结构物质为打印材料进行打印的技术。但该项目目前技术水平达不到，故处于理论阶段。

2.2 生物组织3D打印

生物组织3D打印是指在组织器官的三维模型的指导下，由3D打印机接受指令，定位装配细胞材料或其他一些材料制造出来组织器官的新技术。其技术基础源于2000年的一个科学实验。在试验中，科学家们将人类的动脉血管沿着纵向进行环状切除，使其成为一个个类似于鱿鱼圈的结构。然后，将这一串环状结构用一根线状物固定在一起，经过72小时的培养之后，科学家们惊奇地发现，这些被切开的动脉血管环又重新生长到一起，形成了血管。这种自愈合的能力很具有启发性，如果在体外，我们把不同的细胞进行3D打印，堆积成类似人类的组织或者器官的排列，这些细胞会类似前面的“鱿鱼圈”一样，重新发生迁移与扩散，通过自我愈合的效应，形成一个完整的组织结构。利用这个效应，就可以实现生物组织的3D打印。

这种自愈合效应的一种应用就是生物3D打印。我们将细胞一层一层的打印在特殊的热敏材料上，待细胞叠加完后，静置培养一段时间，就可以得到我们所需要的生物结构组织。另外一个技术就是把浆细胞和琼脂基复合材料混合，挤出成型，在具有交联剂的底板上就可以获得想要的生物组织了。

2.3 生物器官3D打印

生物器官3D打印此技术相比于生物组织3D打印来说具有更高的难度，因为它还要额外构建组织之间的联系，这是其技术壁垒之一。最新的3D打印成果就是关于大段骨材料的修复，例如植入树脂实体模型，然后使用真空离心浇铸法构建三维钛网，制作大段骨骼。除了生物3D打印大段骨之外，还可以进行生物凝胶球体的构建。另外，在现阶段比较火热的人工肝脏制造方面以及再血管化脂肪组织构建方面等，生物器官的3D打印技术都做出了突出的成就。

3 生物3D打印面临的技术难题分析

虽然生物3D打印在经济上正处于黄金时期，但在技术上却处于起步阶段，还有很多别的问题亟待解决。像在生物墨水的喷射过程中，它的剪切力和冲击力，会对细胞活性造成很大的影响，并且生物墨水在喷射构型的时候，不但要符合流体力学的要求，还要必须符合生物活性的要求。这些重要因素均会减弱细胞的活性，造成细胞的损失。从打印前到打印后的液态转化为固态的过程中，如何维持其弹性状态等，这些都是艰难的技术壁垒。另外选择什么样的细胞，用在什么样的组织或器官上都是无比重要的，不同组织所需要的细胞种类也是不同的，如血管壁细胞和心肌细胞所需要的细胞是不同的，上皮细胞和构成肺泡的细胞也是不同的。并且不是所有的细胞都可以进行体外培养，不是所有细胞在被打印机打印出来之后都能保持其原有的活性。故如何挑选、分化、培养、增殖等技术都是需要经过深思熟虑的，这就对生物3D打印技术提出了更高的要求。

除此之外，在对于组织器官的3D打印的过程中，人体不同组织器官的物理性质也是不同的，例如骨骼的坚硬和皮肤的柔软，表皮细胞和体内细胞所适应的不同温度。所以在3D打印的过程中就需要不同的材料，且其材料还要能最大限度的保持器官原有的细胞活性和功能。更重要的是，所选材料必须符合3D打印机所需要的材料的标准，这就使打印的难度再加大。生物3D打印的平台也极为有限，主要有镭射、喷绘和挤制。这三种打印平台各有各的优缺点和特殊功能。还有对硬件的要求也是不同的，面对不同的生物组织及器官，进行不同平台的选择也是关键，这些技术难题在进行生物3D打印时都是必须优化和不断克服的。

4 结论

生物3D打印技术具有很大的发展前景，无论是在材料学、医学、分子科学、生物学、机械工程学等方面都有很大的发展空间。它的高精度和私人化更是其受到欢迎的主要原因之一。3D打印技术拥有较快的构建速度，可以明显提高医药、器官移植方面的效率。其能从根本上解决免疫排斥反应，更是这项技术的一大亮点。但该技术还处于探索发展阶段，还有待于进一步的发展与完善。

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