{科研}3D生物打印在生物工程方面的5个应用，未来可实现部分器官修复

2016年8月19日——医疗卫生的发展得益于科学技术的帮助。比如3d打印，更容易实现身体器官的定制修复。生物工程学家预测，它将来可能用于制造真正的细胞材料。这种技术可以作为个性化生物医学设备、组织工程皮肤、软骨和骨，甚至工作膀胱的基础。最近发表在《生物技术趋势》特刊上的研究人员对3d生物打印的进展以及未来几年甚至几十年的可能实现进行了梳理和思考。

定制芯片器官

“芯片器官”是一种模拟人体组织结构和功能的三维微工程系统，是廉价、高效、个性化医疗竞争的有力竞争者。肺、肠和胰腺组织可以从芯片上的人类干细胞中生长出来，这使得研究人员能够了解不同患者这些细胞的生理差异，并筛选药物。芯片器官制造的挑战在于迅速扩大技术的应用，而3d打印可以减少建立、引导和满足芯片要求过程中必要的劳动力和成本。

“3d打印微流体制造和生物打印3d组织的交叉在单步芯片器官工程中很有前景，并且它可以在研究过程中实现更大的灵活性和吞吐量。”从事微流体和芯片器官3d打印新应用研发的康涅狄格大学助理教授savas tasoglu(@ savastosoglu)说:“在未来的研究中，可以打印一系列粘性材料的更先进的3d生物打印机将被应用于打印制造微流体平台和设备内部建模的复杂组织。这种封闭的集成系统将大大简化芯片器官模型的制作，使芯片器官的设计迭代更快。”

3d打印技术已经成功地应用于微流体器件的制造和生物打印。随着这两个领域的快速创新，3d打印很可能在未来几年成为芯片器官工程的工具。目前，生物相容性打印材料的可用性限制了微流体通道和生物打印组织的结构尺寸。但是，随着3d打印分辨率的快速提高，即使是低成本的消费级3d打印机也可能在不久的将来解决这个问题。

制作皮肤

培养10天后，发现由接种在胶原胶体表面的细胞印刷的皮肤显示出细胞间连接和生物正常细胞的标记。在另一项研究中，研究人员可以在这层细胞上种植血管。从这个角度来看，皮肤生物打印比想象中更接近现实，但研究人员在可以帮助患者，特别是烧伤和慢性创伤患者的设计方案上仍处于发展的初级阶段。

皮肤是一个复杂的器官，具有明确的空结构，包含许多类型的细胞。“目前，制造组织的工程成分已经被复杂的机器所控制，”南洋理工大学和新加坡科技学院的卫龙·吴和他的合作者得出了一个结论。“尽管使用生物打印来产生具有与真实皮肤相当的完整功能特性的皮肤的最终目标尚未实现，但生物打印在皮肤组织工程的许多重要方面具有巨大的潜力，包括生成有色和/或老化的皮肤模型、血管网络和毛囊。”一般来说，包括角质细胞和成纤维细胞在内的相对简单的皮肤构建体已经通过使用生物打印技术成功地制造出来。在“体内”研究中，这些皮肤构造与天然皮肤及其功能有一些相似之处。

对于生物打印领域的当前状态，可以基于成像数据和其他相对较厚的组织和器官来构建3d皮肤构造。如之前的研究所示，当技术成熟后，打印出来的皮肤结构会非常类似于自然的皮肤组织。随着皮肤生物打印技术的进一步发展，未来有可能为患者伤口定制自适应皮肤结构。另一个有趣的应用是伤口治疗中的皮肤原位生物印刷。

就商业化和监管而言，组织工程和再生医学(term)的监管过程和多样性对term的发展构成了巨大挑战。印刷结构的成功商业化很大程度上取决于监管和资金的批准。3d打印皮肤构造包含不同的生物材料、细胞和生长因子。监管审批的难点在于临床研究的日益复杂和潜在危害。质量控制和制造程序等重要标准对生物打印非常重要。

面部重建

虽然骨骼、软骨、皮肤、肌肉、血管和神经都可以在实验室打印，但构建更复杂的模式供患者移植的方法仍在开发中。颅面重建可以帮助癌症或面部损伤的人，对这些细胞类型的工作已经完成，所以很明显，这项技术值得进一步研究和开发。短期内，3d打印支持可用于改善下颌或面部其他区域的点状缺陷。

不同的生物打印技术都有成功的希望，但由于目前每个组织都需要特定的技术，很难打印多细胞组织构建体。“由于对长期(前期)临床研究、智能聚合物和最重要的生物打印架构的需求，这项技术仍有很长的路要走。”阿姆斯特丹自由大学医学中心的外科医生达维德·维斯彻和他的同事说。

“手持式生物打印设备可以将细胞输送到皮肤和软骨等组织，可能成为治疗颅面外部组织的一种有前途的方法，”达维德·维斯彻说。“现在，尽可能优化生物打印技术，增强颅面组织的自我修复能力，应该是生物打印临床应用的合理的第一步。”

多器官药物筛选

3d生物打印证明，精确的模型可以改善我们评估新药的方式，例如生成由各种类型的细胞组成的“器官样”和带有工程血管的肿瘤模型。此类措施可以实时快速监控多个器官中的药物相互作用，但可能需要多次迭代才能实现这一目标，例如添加血管和连接器官模型。

滨州大学的ibrahim ozbolat和彭伟杰以及杰克森基因组医学实验室的derya unutmaz说:“随着新的先进生物打印技术的发展，制作与生理相关的组织模型将成为未来十年药物研发的重要工具。”。“在与其他3d生物制造和支持技术集成后，在芯片上生物打印器官/人体模型和微阵列将大大降低临床前试验中新疗法的淘汰率，并大大缩短新药的研发过程。”

生物打印组织模型和微阵列是一项很有前途的药学技术，特别是在药代动力学、毒性和抗肿瘤试验中。用于药物使用的3d生物打印组织模型和微阵列不涉及容易揭示有价值的临床数据的安全和伦理问题的限制。生物打印微型肝肾阵列等商业产品最近引起了几家公司的兴趣。

插入的血管

在生物工程组织中建立三维血管网络是保证组织存活和移植后精确复制人体形态的必要条件。它侧重于堆叠2d细胞层或生物打印3d网络，从而实现高水平的空控制。然而，制造具有血管网络的组织，使其能够直接与患者的动脉或静脉相连，这是一个巨大的挑战。

“目前，血管生成被认为是组织工程大规模转化为临床应用的主要障碍之一。”麻省理工学院和哈佛大学的生物工程学家耶鲁安·鲁克马和阿里·卡登霍斯塞尼说:“显然，工程组织中有效成分的方法已经达到了对血管结构的初始组织的最高控制水平。”

在谈到工程组织的血管网时，特别重要的是要认识到质量比数量更重要。重要的不是给定组织体积中血管结构的数量，而是通过血管网灌注的血液量及其在组织体积中的分布。因此，良好的组织和成熟的血管网很重要。在研究中，如果过度刺激血管生成，血管数量就会过多。示踪剂灌注实验表明，这种血管灌注的效果很差。