3D生物打印组织模型的研究进展及在中药研究中的可期应用

张雷，陶倩倩，朱彦*（1.天津中医药大学组分中药国家重点实验室，天津 300193；2.天津国际生物医药联合研究院中药新药研发中心，天津 300457）

中药发挥药效具有多组分、多途径、多靶点协同作用等特点，基于中医理论的药物配伍规律使中药的基础研究更为复杂。网络药理学的发展为中药药效物质基础和药理毒理学研究提供了强大的工具[1]。从分子水平预测出中药调控疾病的潜在靶点，使后续的具体机制研究有的放矢。蛋白组学等新兴的组学技术，可从整体水平、全面地呈现中药有效成分进入机体后发挥的多途径、多靶点调控过程，揭示中药复杂组分的药理毒理学机制[2]。

药理毒理学研究通常以动物模型为基础，实验周期长，成本高[3]。其优势在于以模型动物整体评估中药的药效或毒性，具有系统性和整体性。然而，模型动物不能完全模拟人体的生理病理状态，难以精准反应药物-机体关系。传统的药物测试因考虑到研发成本、可操作性及可扩展性大多是用2D 细胞培养方法进行[4]。然而，越来越多的证据表明，与2D 细胞模型相比，3D 细胞模型在蛋白质表达、药物反应、细胞形态、细胞迁移等方面有很大差异[5]。在3D 模型中，由于细胞存在于立体空间中，增强了细胞-细胞和细胞-细胞基质之间的相互作用，因此可以更好地在体外模拟人体内生理微环境。与细胞自聚体、微流控模式下的3D 细胞模式不同的是，3D 生物打印技术可以对细胞及生物材料实现更加精确的控制，使其图案化、异质化，从而更加接近复杂的生物器官。

3D 生物打印技术是3D 打印技术的延伸，可以在三维立体空间中使物料精确沉积从而构建三维结构[6]。3D 打印最早是在1986年由Charles W.Hull.命名为“立体平版印刷术”提出，描述为使用紫外光固化的材料的薄层按顺序层层打印，形成固体的3D 结构。3D 生物打印技术是基于增材制造技术结合生物墨水（包括水凝胶、细胞、生长因子）来构建3D 体外环境[7]。

在过去十年中，大量的3D 生物打印技术被开发出来用于广泛的生物医学应用，如高通量药物筛选、病理机制分析、代谢模型建立及个体化的器官修复。本综述讨论了构建可用于个性化药物筛选和疾病建模的功能组织模型所需的生物打印技术和生物材料的选择，重点关注了生物打印的癌症、肝脏组织及心脏组织模型，因为它们在中药药物发现、药理和毒理机制研究中具有广阔的应用前景。

1 生物墨水的选择

3D 生物打印技术的发展得益于不断涌现的3D 技术应用以及生物材料发明。生物材料即生物墨水，被称为细胞负载流体材料，具有细胞外基质成分，且可以被加载到3D 打印机中以制造组织状构造[8]。生物材料应该包括几个特征，如机械弹性和强度、高孔隙率（允许营养物质、氧气和废物运输）、生物功能化、生物可降解性、生物相容性等[9]。理想的可打印生物墨水必须具有适当的性能，以确保打印后保持其结构和细胞活性。水凝胶是目前最常见的生物墨水，根据其来源可分为自然衍生的水凝胶（即天然水凝胶）和合成来源的水凝胶。自然衍生的水凝胶如海藻酸盐、明胶、纤维蛋白等具有较好的生物相容性，但在力学性能上存在局限性。而合成来源的水凝胶如聚乙二醇（PEG）及其衍生物、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯（PP）等具有很好的力学性能，但缺乏对细胞黏附和迁移至关重要的锚定位点[10]。因此，可以将天然水凝胶进行化学改性以获得具有更好性能的多材料生物墨水[11]。例如甲基丙烯酸酐酰化明胶（GelMA），其特点是结合明胶的细胞生物相容性和甲基丙烯酰基成分赋予的机械强度，可为细胞活动提供良好的环境。

1.1 天然水凝胶

在天然水凝胶中，胶原和明胶含有Arg-Gly-Asp（RGD）基序[12]，这种结构有利于细胞附着，因此被广泛应用于3D 打印中。明胶是由胶原水解得到的，具有在低温下形成物理交联水凝胶的能力，并在25～40℃时融化。基于这种特性，明胶很少单独使用，经常和其他水凝胶如藻酸盐一起使用。Fantini 等[13]将6%海藻酸钠和4%明胶混合凝胶在不同的温度和打印压力下测试神经元细胞，结果表明在25℃、45～70 kPa 时，SHSY5Y 神经元细胞表现出良好的细胞表型。由于明胶的溶胶-凝胶特性，明胶常作为牺牲材料来构建中空结构。Lee 等[14]将胶原前体和混有内皮细胞的明胶做成类三明治结构，将明胶完全包裹在内，之后置于37℃培养箱中除去明胶以形成中空管路，并将其置于特殊设计的聚碳酸酯流动室中来提供剪切力，模拟血管结构。

海藻酸盐也是常用的天然水凝胶，由于其无毒、生物可降解、无免疫原性、价廉易得而被广泛使用[15]。基于海藻酸盐生物墨水的黏度取决于海藻酸盐浓度、分子量及细胞密度，在使用时需要调整其黏度来适应不同的打印方法。海藻酸盐可与多价阳离子（如Ca2＋）实现快速胶凝。Khalil等[16]利用1.5%（W/V）海藻酸钠和0.5%（W/V）CaCl2制造网格化结构以支持内皮细胞增殖。Xu等[17]通过将含有细胞的CaCl2溶液逐层打印到海藻酸钠-胶原复合物中，创建了具有多细胞类型的三维异质结构。海藻酸盐水凝胶也与其他水凝胶一起合用来增强生物墨水性能。Chen 等[18]开发了一种海藻酸盐/明胶的互穿聚合网络用于体外3D 细胞培养和器官生物打印。研究采用双交联模式，即Ca2＋交联海藻酸盐、转谷酰胺酶（TG）交联明胶分子，改善了海藻酸盐/明胶水凝胶的保水性、硬度、结构完整性以及细胞生物相容性。通过调节交联顺序，可以实现长期的SH-SY5Y 细胞体外培养。

1.2 半合成水凝胶

基于天然水凝胶的化学改性也丰富了生物墨水的选择。GelMA 是一种半天然水凝胶，可通过明胶的甲基丙烯酸化合成，具有热敏性和光敏性。GelMA 的特点是将明胶的生物相容性与甲基丙烯酰基成分的交联性和机械强度相结合[19]，成为一种新的三维生物打印生物材料。Liu 等[20]利用微连续光学打印技术（µCOP）制造了各种基于GelMA的体外诊断支架，通过精准固化，成功制造了GelMA 悬臂用于体外心肌细胞的拉力测试。尽管较低浓度的GelMA 对于细胞状态是有利的，但对于维持其沉积后的三维结构提出了挑战。Liu 等[21]利用同轴喷嘴装置将海藻酸盐鞘作为核心GelMA的模板，随后进行紫外交联以固定结构。Xie 等[22]采用相同思路，制备了外球形内纤维丝结构，为异质性组织的体外构建提供了新思路。

1.3 合成水凝胶

由于天然水凝胶的机械强度不够，科学家们对合成水凝胶进行了大量的探索。PEG 是一种线性聚合物，因其水中溶解性好而成为用于细胞封装的常用材料。单独的PEG 不能形成水凝胶的3D 网络结构，需要与其他生物材料合用或化学改性来使用。Wu 等[23]通过优化聚乳酸（PLA）、PEG 和Pluronic F127 的不同配比，开发了具有良好的流变、力学性能的半固态黏性生物墨水。Valot 等[24]为改善PEG 的溶胶-凝胶特性，以双硅烷化聚乙二醇为模板水凝胶，筛选不同的亲核催化剂催化凝胶过程，来获得最佳的水凝胶性能。

2 3D 生物打印的主要方法

2.1 3D 生物打印的设计思路

生物打印的三维结构因应用场景不同而设计成不同形式。2014年Murphy 将不同设计思路归纳为3 种：即生物仿生、自主自组装和微组织[6]。生物仿生模式的生物打印包括对组织或器官的细胞和细胞外基质的三维打印[25]。这种方法需要精确的微尺度复刻以及对打印对象微环境的深入了解。例如体外肿瘤模型的建立，Cao 等[26]开发了一种带有血管和淋巴管的体外肿瘤模型，并进行了多比柔星（DOX）的药物传递和药效研究，实验证明带有灌注和排出微循环系统的MCF-7 乳腺癌细胞模型体现出了更加真实的药物传递，为未来更加高效的药物筛选提供了可能。Lee 等[27]利用自由可逆嵌入的悬浮打印模式使用胶原支架准确地复制了由微型计算机断层扫描得到的心脏解剖结构。此外，该实验还证明了印有心肌细胞的心室出现了生理效应，如同步收缩、定向动作电位传递等。自主自组装模式与由胚胎器官发育形成的生物组织过程有关。形成组织前的早期细胞成分，需要依靠自身生产的细胞外基质成分、细胞信号及自主组织和图案化，形成所需的微生物结构和功能[28]。Langer 等[29]通过整合多细胞类型产生了特定无支架肿瘤体外模型并观察到了间质细胞表型的改变，包括细胞外基质沉积、内皮细胞自主图案化为类血管网络等。微组织，也称功能构建块，用于重现组织中最小组织的结构和功能。例如片上器官（organ-on-a-chip），可以用于疾病建模、药物筛选、药理机制研究等。如Homan 等[30]在体外打印出了3D 人肾近端小管模型，在灌注条件下保持了两个月以上，可以为药物活性筛选、体外毒理研究提供工具。

2.2 3D 生物打印的技术方法

为了实现上述构想，主要的打印方法有3 种：喷墨打印、微挤出打印和激光辅助打印[31]。喷墨生物打印机可以在X、Y、Z 三维空间中精确提供受控体积的液体。其主要优点为成本低、分辨率高、打印速度快、与多种生物材料兼容。其应用的主要限制为可打印材料黏度低（通常为低于10 CP）、需要液相材料来生成液滴、可打印细胞浓度低等。此外，喷墨打印还可以通过改变液滴密度或大小在3D 结构中引入其他细胞、材料或具浓度梯度的生长因子[32]。微挤出生物打印机通过气动或机械系统控制材料挤压和沉积到基底来执行高分辨率3D 结构。微挤压体系允许使用高黏度材料，具有剪切变稀特性的材料也被用于微挤出应用。微挤出系统的高分辨率使生物印刷能够精确地重现CAD 软件设计的复杂结构，并促进多细胞类型的图案化。微挤出打印的主要优点在于可以沉积含高密度的细胞生物墨水，从而为构建组织工程提供条件。相对的，微挤压技术由于高剪切力而无法保证高细胞存活率。激光辅助生物打印技术（LAB）不常见，其工作原理为使用聚焦的激光脉冲在光能量吸收层上产生高压气泡，将含有细胞的生物墨水推向收集器。由于LAB 无喷嘴设备，因此可以满足具有高细胞密度、高分辨率和广泛材料黏度范围的需求，而细胞存活率和功能损失可以忽略不计[33]。相对的，应用LAB 打印技术需要快速的胶凝才可以达到图案保真度[34]。尽管现有的技术对于精准重现人体组织、器官还有很大差距，但仍然涌现出很多新技术、新材料、新应用来克服困难。在其他综述中描述了诸多技术，如立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）用来建立3D 构造[35-36]。生物打印的最终目的是建立仿生的体外结构，从而为疾病建模、药物筛选、药理毒理机制研究、再生医学提供工具。为了满足不同的需要选择最佳的打印条件，包括细胞来源、生物墨水、打印设备、结构设计等。

3 3D 生物打印技术在药理和毒理学中的应用

药物研发在临床早期实验因其毒性面临强大的挑战（淘汰率高达60%）[37]，很重要的原因在于没有很好的临床前模型来用于药物发现和临床前实验[38]。中药的现代化研究进程已经得到极大的提升，提取分离方法的升级和优化使中药单体更加容易被分离和富集[39]；组学（基因组学、蛋白组学、转录组学、代谢组学）的出现和应用也使中药复杂组分研究更为系统、更加全面、更为细微[40]。然而，与化学药品相同，中药药理毒理学测试中也面临生理/疾病模型的失真，不能正确反映药物对人体的作用。尽管传统的2D 细胞培养仍然是药物筛选中的主要方法，但由于单层细胞模型的表型与正常生理状态的细胞表型相似性较差，使得三维细胞培养技术在药代动力学/药效学（PK/PD）建模、生物标志物识别、安全信号的早期解析和药物靶标验证方面的发展和应用受限[41]。3D 生物打印技术允许细胞直接图案化，避免了方法中将细胞种植到预制支架中由于细胞分布相对不受控制而导致的潜在的细胞聚集效应。此外，3D 生物打印可以容纳不断增长的具有机械可调和生化特性的生物材料库，相对于传统的图案化技术（如微接触打印/微模塑），具有显著简化制造、快速迭代和增加维度等特点[42]。

虽然选择合适的生物打印技术、生物材料和细胞的组合对于复杂组织的发展至关重要，但最终的目标仍然是建立具有适当物理、化学和生物特征的生理相关微环境[6]。对于药物筛选、靶标验证等应用，3D 生物打印技术为生成器官的微生理最小功能单位提供一种独特的方法，而不需要重建整个系统来模拟药物反应、疾病状态和潜在疾病治疗作用[43]。检索文献，总结经药测试可以得到理想结果的仿生模型，可指导其今后在中药工作中更好的应用。下文将介绍3D 生物打印技术在建立癌症、肝脏、心脏的生理模型，以及它们在药理毒理学实验中的应用。

3.1 癌症模型

根据世界卫生组织最近的一份报告，因癌症致死占据全球死亡总数的1/6[44]。尽管标准抗癌治疗策略已经取得进展，但由于患者之间和患者内部的肿瘤异质性导致效果各异。肿瘤的异质性导致肿瘤增殖率、侵袭力、药物敏感性和预后在个体间存在显著差异[45]。因此，迫切需要建立一个高保真的临床前癌症模型，以便在基础研究中筛选出更加有效的特异性药物，并实现精准的个性化的临床治疗。

3D 生物打印技术的进步使我们在体外复制肿瘤微环境（TME）中有了更好的工具。TME 是高度复制和异质性的，其特征包括机械刺激、生化梯度、几何线索、组织结构和细胞-细胞/基质相互作用[46]。肿瘤细胞可以影响局部TME，导致基质细胞类型的增殖和活化。然后，基质细胞产生反馈，为肿瘤细胞提供有助于致癌表型的信号，包括增殖、迁移和耐药性[47]。肿瘤之间或肿瘤内不同TME 也有助于肿瘤间和肿瘤内的表型异质性和不同的药物反应[48]。Langer 等[29]使用3D 生物打印机将多种细胞类型整合到具有特定结构的无支架肿瘤组织改进模型中。在实体肿瘤结构的组织模型中，以肿瘤细胞为核心，周围充满负载基质细胞的可调水凝胶，可提供前期肿瘤发展所需的细胞外基质（ECM）。在肿瘤组织成熟过程中，观察到间质隔室的改变，包括ECM 沉积、内皮细胞形成网络等，概括了体内TME 特征。3D 生物打印可以实现多种细胞共培养以及构建与体内相似的组织结构，此模型可以评估复杂微环境对癌细胞增殖能力的影响。与2D 细胞模型相比，实验发现生物打印组织对抗肿瘤药物阿霉素、紫杉醇、吉西他滨具有更高的耐药性。此外该模型可以使用不同的细胞类型来模拟不同的肿瘤亚型和间质类型，并允许在复杂的微环境中对患者来源的细胞进行建模。尽管细胞自组装模式允许形成自分泌ECM，但是与水凝胶支架相比耗时较长。Swaminathan 等[49]使用不同配制的水凝胶作支架，对比了有无预制肿瘤球体对紫杉醇的耐药性，证明了3D 生物打印预制肿瘤微球可以快速创建体外肿瘤模型。

球体肿瘤模型虽然可以再现肿瘤的复杂结构，但它们通常缺乏肿瘤所经历的动态微环境，例如将药物分子送至肿瘤位置所需的血液流动。在哺乳动物体内，微循环系统根据血管的渗透和淋巴管吸收来维持间质液体的动态平衡[50]。此外淋巴排除系统还为体内抗肿瘤药物提供优先的循环途径[51]。Cao 等[26]将3D 生物打印技术和微流控技术相结合，成功创建了具有生物打印的血管和淋巴管对的片上肿瘤（TOC-BBL）（见图1a）。实验研究了血管、淋巴管和肿瘤细胞不同的排列组合对抗肿瘤药物阿霉素转运的影响，表明具有双通道系统的模型比其他情况下具有更高的转运率，这提示了淋巴系统对抗肿瘤药物的高清除率可以提高肿瘤的耐受剂量。此外，基于微流控技术的癌症模型还可以通过模拟肿瘤区域的氧气梯度分布[52]。Yi 等[53]在芯片上创建了一种胶质母细胞瘤类器官（GBMs-on-Chip），它结合了划分的癌症间质结构、氧气梯度生成和脑脱细胞细胞外基质（BdECM）。这种高度的异质性极大地促进了基底膜各种病理特征的出现。印有不同患者来源肿瘤细胞的GBMs-on-Chip，使用替莫唑胺（TMZ）的同步放化疗（CCRT）后产生不同反应，与临床结果相匹配。此外，该模型在结合个人生物信息学分析的结果，可以成功筛选出最佳治疗方案，为个性化肿瘤治疗提供有力的工具。

3.2 肝脏模型

肝脏是人体重要的器官，为维持正常生命体征执行很多功能，包括蛋白质合成、异物代谢、胆汁生成和碳水化合物代谢等。由于肝脏在异物代谢和解毒中起至关重要的作用，因此肝脏毒性实验是所有临床前药物研究的重要部分[54]。药物性肝损伤（DILI）是临床前和临床药物失败、上市药撤回及急性肝功能衰竭的主要原因[55]。尽管传统中药被认为是“天然无毒”的，但事实上中药药物性肝损伤（TCM-ILI）在DILI 中占比已经高达25.71%，且呈逐年上升的趋势[56]。传统的动物模型因无法真实捕捉人类肝脏毒性反应而造成38%～51%的肝毒性药物被忽略[57]，因此基于人源细胞的有效的体外肝脏模型是一种非常有力的，可作为理解疾病机制、筛选药物的工具。

由于目前分离得到的肝癌细胞株表达非常低水平的药物代谢酶，人们将焦点转移到原代肝细胞（PHH）模型上，将之作为预测毒理学的金标准。PHH 模型在传统2D 培养中迅速去极化而造成药物代谢酶/药物转运蛋白丧失，阻碍了其在肝脏生理学和病理学中的研究及药物新陈代谢和毒性研究中的有效性[58]。因此，有必要构建更好的模拟人体环境并帮助维持体外肝功能的肝脏结构。3D 生物打印技术具有对细胞和生物材料精确构图的潜力，是构建新型体外肝脏模型的有力工具。Nguyen 等[59]建立了患者来源的肝细胞和非实质性细胞（内皮细胞、肝星状细胞）组成的具有特定结构的人肝组织模型，结果表明，与2D 肝细胞培养相比，在持续培养4 周后，生物打印的肝脏模型仍可以维持ATP、白蛋白水平以及细胞色素P450 的表达和药物诱导的酶活性，并成功将曲瓦沙星与其无毒的结构类似物左氧氟沙星区分开来。此外，体外肝脏模型也可以用来模拟疾病的发生及药理研究。Norona 等[60]使用3D 打印肝脏模型评估了库普弗细胞（KCS）在调节转化生长因子β1和甲氨蝶呤诱导的早期纤维化损伤。

片上器官也被开发用于构建体外肝脏模型。在微流控平台上进行3D 生物打印的优势在于能够创建开放的异构微环境[61]。Li 等[62]结合3D 生物打印、微流控和细胞共培养技术，提出高仿生的药物筛选模型，即3DPF 模型。与2D 模型、普通3D 生物打印模型相比，3DPF 模型在抗体依赖性细胞介导的细胞毒实验中更为敏感，与小鼠单克隆抗体药物的动物实验结果较为相似。运用3D 生物打印技术创建的其他片上肝脏器官也可以检测到对乙酰氨基酚造成的肝脏损伤[63-64]（见图1b）。总之，这些研究表明，生物打印构成了一种可以维持肝脏表型和功能的新兴技术。然而，我们需要更加系统的评价以证明其在体外肝脏中具有药物代谢和毒性预测的价值。体外肝脏模型的成熟将大大提高TCM-ILI 的评估效率和准确度，为中药安全用药提供准确预测，同时为靶向肝脏组织的中药成分提供疾病建模和药效评估。

3.3 心脏模型

药物的心脏毒性也是上市后撤回的主要原因[65]。传统的体外心脏毒性实验通常缺乏天然3D细胞外微环境，导致心肌细胞非生理性排列，损害细胞-细胞/细胞外基质的通信，因此得不到准确的评估。目前亟需开发一种具预测性的人源细胞体外心脏模型，来取代缺乏人类转化相关性的动物模型。原代心肌细胞因无法大量扩增而无法构建体外模型。人源诱导多能干细胞诱导的心肌细胞（IPSC-CM）由于具有代表个体差异的潜力，成为众多科学家的理想细胞源[66]。心脏中心肌细胞与3D 多层结构中的微尺度特征相互作用，3D生物打印可以实现精确图案化，使其微拓扑和生化线索促进细胞融合、排列以及组织结构的生长和电各向异性，以模拟天然心肌的结构和功能[67]。

Kumar 等[68]通过两步交联法保留人字形图案，构建了含有IPSC-CM 和心脏成纤维细胞（CF）的心肌细胞载体薄层。通过IPSC-CM 和CF的共培养及偶联，对维持活体心脏壁的正常生理非常重要。目前开发的3D 体外心脏组织虽然为体外心肌细胞培养提供支架支持，但不能模拟多层排列的心肌以及组织力学特征，这成为建立用于药学研究的体外心脏组织的阻碍。Liu 等[20]使用连续光学打印技术对GelMA 进行图案化光固化，打印出悬臂系统，通过将GCaMP 钙传感器与3D打印悬臂系统配对，可以以非破坏方式同时评估心力和钙瞬变，为药物的发现及安全性评价提供有力工具。Zhang 等[69]提出一种混合策略，构建内皮化心肌芯片平台（见图1c）。通过打印技术制造出3D 内皮细胞床，与心肌细胞共培养，产生自发和同步收缩的排列好的心肌。随后将其嵌入微流控灌注生物反应器中，以实现长期灌流。使用此芯片平台对不同浓度的阿霉素进行测试，结果显示心肌结构呈剂量依赖性地减弱搏动。

图1 3D 生物打印构建体外类组织模型Fig 1 Fabricating in vitro tissue-like models using 3D bio-printing technology

研究者还使用3D 生物打印技术建立了其他模型，如血管化、肾脏、肺部、肠道模型，为构建体外人体系统作出有益探索[31，41]。体外仿生模型的发展将加速中药的现代化进程，为中药药效评价、药理机制研究、器官毒性评估提供有力工具。生物打印模型作为3D 细胞培养模型的一种，弥补了现有2D 细胞和动物模型的固有缺陷，为中药药物发现提供可靠的筛选模型。需要指出的是，尽管这些技术为药物研究提供了新的方向，但目前仍然缺乏统一标准的分析方法来证明和量化3D打印生物模型对传统模型的改进。此外，这些不同培养模型的分子表型表征不统一、测试药物不统一等局限导致难以对它们进行横向比较。

4 3D 生物打印技术在中药研究中的可期应用

3D 生物打印技术具有精确定位生物材料和活细胞、重建复杂结构的能力，可用于疾病建模和药物筛选。目前尚无报道将3D 生物打印技术应用到中医药研究领域中。但我们相信应用3D 生物打印技术将会加速中医药在药物筛选、机制研究、毒性评估方面的发展（见图2）。中医治疗着重整体观念、辨证论治。3D 生物打印技术及其他新生技术（如微流控技术）的应用，可以使对中药的研究不局限于对单个细胞、单个器官的反应。使用微流控技术可以将多个3D 仿生器官集成到一个芯片，实现药物对不同器官反应的全面监测，满足中药多组分、多靶点的特点，更好、更全面地揭示中药作用机制。此外，人源原代细胞培养技术和多能干细胞的应用也使个性化医疗成为可能。Yi 等[53]使用患者来源肿瘤细胞快速构建了胶质母细胞瘤芯片，结合临床个人生物学分析，筛选出最佳治疗方案，实现精准医疗。具体地说，3D 生物打印技术在中药药理毒理学研究中具有以下优势：

图2 3D 生物打印技术在复方中药研发中的应用前景Fig 2 Application prospect of 3D bio-printing technology in the research and development of compound Chinese medicine

第一，中药中存在数以千计的成分，3D 生物打印技术可以重复、高效地制造细胞微球模型，在实现高通量药物筛选的同时又可使实验结果更加可靠，实现对复杂中药成分的药理毒理学的初步认知。

其次，具有潜在药效（毒性）成分的中药可以在具有仿生结构的3D 生物打印模型进行药物机制研究，以进一步揭示药物对器官、组织的效应。

第三，与微流控技术结合制造的多组织类器官仿生系统，可以更加全面地展现不同器官之间的药物反应以及给药后不同效应器官之间的相互作用，也可使需要生物代谢（如肝脏代谢）的前药得到研究。此外，基于人体系统的仿生芯片也可模拟中药的体内代谢过程，为中药安全剂量研究提供工具。

第四，可以快速制造仿生体成型的3D 生物打印技术也可以为临床治疗提供指导。患者来源的原代细胞或诱导多能干细胞（IPSC）经打印快速形成体外类器官，用于不同治疗策略的中药组方治疗，从而得到最优的中药治疗方案，阐释中医药的同病异治、异病同治的精准个性化治疗，为中医药辨证论治提供科学依据。

5 评价及展望

3D 生物打印技术在生物医药领域的应用将大大加快新药研发和临床医疗技术变革的进程。在临床方面，3D 生物打印技术结合计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和超声（US）等影像技术构建立体的患者个性化病灶组织模型，利于复杂的病理组织展示，方便专家决策和学生教学[70]。此外，3D 生物打印的组织模型还可以在术前模拟、手术计划、术中指导中发挥积极作用[71]。由于生物材料安全性、生物相容性等诸多因素影响，3D 生物打印组织模型还不能直接用于临床器官移植，大多数的研究集中于用于药物研发的体外组织模型的构建。

单一的生物材料很难满足当前复杂的体外组织模型设计。为了开发功能性和仿生类组织结构，需要异质化的多生物材料来进行组织重塑。此外，生物支架的功能化改性也是获得理想组织模型的重要途经[72]。通过对材料进行物理、化学修饰获得复杂组织打印所需要的生物墨水的特性，包括可打印性、生物相容性、生物可降解性及良好的物理机械性能。脱细胞技术也为生物支架材料提供更多可能。动物来源的脱细胞细胞外基质（dECM）支持细胞的分化和成熟，同时保留部分生长因子，保存了器官特异性细胞分化的线索[73]。4D 生物打印技术通过利用生物材料对各种类型的刺激响应造成形状变化的特征，赋予图案化结构按需转化的能力。4D 生物材料的发展为制造具有按需、动态、可控形状的复杂结构创造了新的可能。

3D 生物打印技术提供了高通量开发活性三维组织的能力，结合先进的自动化光学检测分析技术（如高内涵）等，将大大提高中药药物筛选的效率。易于制造的标准化异质化的微球模型有利于药物测试的前期大规模筛选阶段，适当的细胞与材料组合将使药物-细胞的正确反应有效率大大提高。此外，与微流控技术结合，制造出多器官组织聚合的芯片系统，也是3D 生物打印在中药药理毒理学应用的另一个重要方向。利用微流控芯片将具有微生理功能的类器官连接起来，用来模拟某个生理系统，甚至整个人体系统的重现。这种片上器官（片上人体）有利于中医药理论中的“整体观念”的研究和阐释，使中药治疗多组分、多途径、多靶点的特点集中展现。目前，还没有足够的证据证实3D 生物打印模型在药物研究中具备与动物体内模型药理毒理作用的一致性[74]。但随着3D 生物打印技术的发展和应用，其最终会成为药物发现、机制研究、精准医疗提供强有力的工具，为中医药现代化发展提供有力支撑。