生物打印组织技术的研究进展

王振勇

（黑龙江省佳木斯大学第一附属医院骨一科，黑龙江佳木斯154000）

1 前言

3D打印技术是快速成型技术的一种，始于20世纪90年代，其基本原理是以数据为基础的逐层叠加累积制造。3D打印技术是集计算机学、机械工程学以及材料科学为一体的多学科交叉技术，近年来发展比较迅猛。在原有广义的工程学打印的基础上再次引入组织学、再生医学，细胞学等概念可实现生物打印技术向临床转化。3D生物打印技术在很多领域都有广泛的应用，尤其是在医学领域发展更为迅速，如人造皮肤1、耳廓、软骨2、血管3等众多的组织构建。

2 3D生物打印机

3D生物打印机是组织工程主要的设备，目前用于组织工程的3D打印设备主要包括：a.喷墨式打印机 b.挤出式打印机c.激光辅助打印机等4，这三种主要的生物打印机都其独特的优点和局限性。选择什么样的打印机能够满足我们实验的要求对于我们来说非常重要，下面是我们对每种打印机主要的优缺点进行综述。

2.1 喷墨式打印

喷墨式生物打印机是一种把打印材料储备在打印盒中的打印设备，以液滴的形式进行生物打印，打印时通过挤压的方式以产生可控制尺寸的液滴。其优点是打印机设备成本较低，打印速度较快，打印细胞活力可＞85%，但是打印生物材料浓度较低。如果生物材料的密度较高，可导致打印机喷头堵塞，打印细胞密度＜106细胞/ml.喷墨式生物打印机所打印材料不能形很好的力学结构，如需要力学结构的负重部位应与人工材料相结合的方式打印。既能保证其力学结构，也能使细胞很好的粘附、分化、增殖。

2.2 挤出式打印机

挤出式生物打印机实基于喷墨式打印机的升级版，其主要原理是通过施加一个连续的动力，而不同于喷墨式打印机单个动力，其可以挤压打印出不间断的连续线条。对于打印材料的选择也可以更具多样化，打印成本要比喷墨式打印机高，但打印的细胞活力为45%-80%，远低于喷墨式打印机，其打印生物材料的粘度较高，细胞密度也比喷墨式打印机高，打印结构通过交联后可以很好的保持其原有形状。

2.3 激光辅助打印机

激光辅助打印机是较喷墨式打印机和挤压式打印机更为昂贵的打印设备，激光辅助打印机原理复杂，激光辅助打印机操作更加复杂，激光辅助打机打印可以避免设备与所打印材料之间的直接接触，这种非接触式打印方法不会对细胞产生机械应力，所以其打印细胞活力可达＞95%。对于材料粘度的选择也更多，可打印材料的粘度较前两者较高，可制造更为复杂的组织器官。

3 3D生物打印材料

常用的3D生物打印材料包括天然生物材料和人工合成材料，每种材料都有其独特的化学性质和机械性能5。生物材料的选择可以决定所打印组织器官的宏观及微观精细结构。所使用生物材料的力学性能要求稳定。如果打印纤维力学强度较低可出现支架坍塌现象，形成单一的支架。对于体内应用来说，机械稳定性是至关重要的，许多使用的生物相容性好的生物材料却缺乏足够的机械性能。为了克服这一障碍，最有希望的方法是混合打印，其中机械支撑和细胞相容性的功能分为两种材料，虽然这样可以有效地改善机械性能，这篇文章主要对水凝胶、人工合成材料进行讨论。

3.1 水凝胶

水凝胶是应用的特别广泛的生物材料，因为它可以模拟天然细胞外基质并且具有一定机械支持能力，在3D环境中能使细胞有效且均匀的接种。水凝胶材料可分为天然组织水凝胶材料和人工合成水凝胶材料，由于其具有良好的通透性和包裹细胞的能力，所以非常适用于3D生物打印，因而是被广泛用于生物3D打印的生物材料6。水凝胶类的生物材料对细胞打印存在一些缺点，例如不适当的交联和液体流变特性改变，这将阻碍精确的3D打印成型7。

天然水凝胶材料是细胞外基质组分或组织衍生的水凝胶材料，广泛用作3D生物打印中细胞系统中的生物材料来源，如胶原蛋白，多糖、透明质酸等。天然水凝胶是组织工程最理想生物材料，他不仅为细胞提供合适粘附、生长、增殖及分裂微环境，而且对细胞不产生毒性，可随时间的增长而逐渐降解，降解后的物质无毒性，对细胞增生繁殖无影响。天然水凝胶不仅具有包裹细胞和打印的能力，而且水凝胶有理想的一定粘度和塑型应力特点，允许通过3D生物打印机在空间位置上精确的挤出。所以其仍然是用于细胞包裹的最常用的生物材料。

3.2 人工合成材料

人工合成聚合物众多，包括聚氨酯（PU），聚己内酯（PCL），聚乳酸（PLA），聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸乙醇酸（PLGA）等。人工材料可降解，降解后产生毒性较小，对细胞影响较弱，人工合成材料还能为组织支架提供较好的力学支撑结构。使打印组织维持一定的形状，保持一定的孔隙率，不易塌陷形成单一结构支架。人工合成材料支架能为细胞提供迁移和增殖的支撑结构，细胞在支架材料上增殖分化，同时分泌细胞外基质成份，还可以为提供细胞外基质产生和重塑的空间。人工复合材料能提供良好的力学支撑，使打印结构力学强度增加。

4 结语

经过十几年的发展，3D生物打印技术已经逐渐成熟，但仍然处于初级阶段。虽然3D打印技术和生物材料已经日新月异，但对于实现理想制造组织器官的目标还相差甚远。目前的3D生物打印技术和生物材料还不能满足我们对制造组织器官的要求，理想的生物打印材料应该具备以下几点：a可打印性,b可以保持良好的细胞活力、粘附及增殖,c生物材料还应该提供足够的强度和结构支撑,d具有仿生性，e所选择的材料可以降解8。对于中空管状结构生物打印的一些基本要求，现有的生物材料和打印技术它们仍然缺乏足够高的分辨率和多功能性来生产具有非常小的内径和足够的结构复杂性的管腔结构，以制造复杂的组织和器官工程需要。但我们要克服的问题依然很多，如力学问题，材料降解问题，以及打印材料通透性等问题。