3D 生物打印解释：定义、历史、机制和关键类型

3D生物打印代表了一组早期技术。这些研究领域研究生物材料在打印功能性植入物中的使用，以及模拟、刺激或复制真实组织的测试设备，用于患者植入物或研究工具。虽然这些技术还处于非常早期的阶段，但它们显示出医疗干预范式转变的希望，从而产生巨大而深远的影响。

本文将讨论：什么是 3D 生物打印？ 、它的历史、它的工作原理以及它的类型。

3D 生物打印是什么意思？

3D生物打印是在增材制造中使用生物和生物功能材料。高度专业的打印机用于创建由这些生物材料制成的 3D 结构。一些例子是：活细胞、生物活性框架或支架材料以及生物分子。该过程使用典型的 3D 打印方法将生物材料分层沉积，从而产生用于多种医疗目的的生物模拟物、框架和替代结构。

这种 3D 生物打印的目的是制造高功能、复杂的组织结构以及最终的器官。这些用于医疗目的，例如患者植入、药物测试和病理建模。目前这项技术的运行水平还相当原始。然而，就功能组织而言，研究进展表明，它将通过定制制造功能类似于（或优于）其复制的天然组织的器官来彻底改变医疗保健。

3D生物打印何时开始？

促成 3D 生物打印的技术和研究从来没有突然突破到患者解决方案中。然而，有几个重大事件在定义该技术的基础方面具有开创性意义。加博尔·福加克斯（Gabor Forgacs）观察到，细胞可以组织成“新”的空间结构，并且它们可以无限期地组合并保留该结构。这种理解后来成为生物结构 3D 构建的关键，因为它告诉我们可以诱导它们保持形状。

2000 年左右，生物相容性材料开始用于再生医疗解决方案。这直接导致了维克森林大学开发的空间支架的建造。支架上植入了培养的患者细胞，并在没有排斥反应或免疫抑制药物的情况下植入。这些被证明是长期稳定的。 2002年，Landers报道了生物挤压技术，并以“3D-Bioplotter”商业化。 Wilson 和 Boland 在 2003 年使用改进的 HP 喷墨打印机作为生物打印机，然后在 2004 年使用商业 SLA 打印机构建支架开发了细胞负载生物打印。

3D 生物打印如何工作？

3D生物打印的过程一般包括以下步骤：

1. 创建要打印的组织或器官的 3D 设计。 Allevi 3D 的 BioPrint Pro 等工具正在快速发展。
2. 选择理想的生物墨水。 3D 打印中使用的材料包含以下材料：生物相容性光固化树脂中的蛋白质和生长因子。这些是现成的材料，可用于打印不合适的 SLA 生物打印机设备。在打印之前，它们必须注入培养的患者细胞，这些细胞将受到刺激以“生长”器官。
3. 生物打印机按照设计构建模型，并通过标准切片软件对其进行处理。生物墨水适用于各种生产方法，例如挤出、喷墨和 SLA 打印。沉积的生物墨水融合形成多孔结构，为细胞成熟做好准备。
4. 印刷结构通过多种工艺固化成更稳定的交联形式，适合特定的生物墨水类型。
5. 交联后，打印的材料在生物反应器中孵育。在此过程中，打印的组织/器官将被视为生物，以优化其发育。

有关详细信息，请参阅我们的 3D 打印机工作原理指南。

3D 生物打印的重要性是什么？

生物打印在患者护理、药物开发和研究的所有领域的使用越来越多，这是功能日益强大的工具包开发的结果。这是可能成为制造完全替代组织和器官的早期阶段。为外科植入物定制新器官的能力即将彻底改变整个医疗领域。它允许对患者的组织进行诱导治疗，以提供新的、完美的、“真正的”移植物，几乎没有或没有排斥风险。图1是生物打印器官的示例：

3D 生物打印器官。

图片来源：Shutterstock.com/guteksk7

3D 生物打印的目的是什么？

生物打印是提供可孵化的、填充有患者细胞的支架的过程，这些支架可以被孵化和培养成为替代器官。这是为患者提供可移植组织和器官的不可替代的关键步骤，患者的免疫系统会将其识别为“自身”。 

3D 生物打印有哪些不同类型？

生物打印已在三个不同的方向发展，每个方向都有其困难和优点：

1。基于喷墨的生物打印

基于喷墨的生物打印使用经过专门改进的喷墨打印将活细胞和生物材料放置到立体光刻 3D 结构上，以构建生物结构——组织和器官。打印头分配含有患者细胞和生物支持介质的生物墨水，在前一层的基础上提供 3D 设计中每个切片的“图片”。这些生物墨水包含紫外线固化或热硬化元素，可将每一层集成并粘合到下面的一层。通过这种方式，设计的组织被布置成 3D 结构，然后可以孵化至成熟。

基于喷墨的生物打印分辨率高、速度快，适合在一次打印中应用多种细胞类型或生物材料。虽然该技术尚未成为主流，但它是再生和植入医学组织工程以及药物测试的关键实验方法。

2。压力辅助生物打印

压力辅助生物打印利用气动或液压驱动将生物墨水细滴输送到构建平台上。这将按照设计逐层构建组织。当生物墨水层沉积时，通过紫外线照射或温度变化来固化。这个过程有助于形成一个完整的结构，可以通过孵化使患者（或研究测试）组织成熟。这个过程在很多方面都比其他方法更简单。它允许混合细胞放置，以更接近真实组织的模仿。由于基于挤出液滴，分辨率较低。在许多情况下，这对于其他强大的组织构建方法来说是一个小缺点。

3。激光辅助生物打印

激光辅助生物打印使用激光将活细胞或生物材料转移并精确沉积到构建平台上。它可以创建所需的 3D 生物结构，例如组织和器官。激光束蒸发载有生物墨水的转移胶带上的基材材料。这会导致基材快速蒸发并将生物墨水喷射到构建上。这会将精确的生物墨水液滴逐层沉积到构建上，以创建所需的 3D 结构。这是气泡喷射打印的精密模拟。

与其他 3D 打印技术相比，基于激光的生物打印具有多种优势，包括对细胞放置的高精度控制、高分辨率打印的能力以及使用一系列生物材料（包括成分更复杂的生物材料）的能力。过量的激光功率会导致细胞损伤，而且该技术不足以提供高细胞密度。

有哪些不同的 3D 生物打印方法？

下面列出了不同的 3D 生物打印方法：

1。仿生学

仿生学利用天然组织过程和材料来解决结构和功能生物打印问题。仿生学可以创造更有效的方法来生产高度相似的生物组织和器官。使用天然细胞外基质（ECM）材料来创建组织工程支架是仿生学的一种形式。 ECM 为细胞提供结构支持。使用胶原蛋白和透明质酸等天然 ECM 材料可以提高打印组织结果的结构完整性和功能性。

使用含有模仿天然组织特性（例如硬度、弹性和细胞粘附力）的非天然材料的生物墨水可以帮助创建功能更好的印刷组织。一些研究人员正在探索模仿蜘蛛织网方式的 3D 打印方法，以在打印的生物结构中创造复杂且更典型的自然特性。

2。自主自组装

自主自组装旨在使细胞能够自组织并形成所需的结构，而不需要直接操作/放置。这种方法试图模仿组织正常生长中细胞自然组装的方式。将患者细胞与含有凝胶材料的生物墨水混合，可以将其塑造成所需的形状。然后将细胞和生物墨水进行孵化，以实现自组织。这形成了更接近自然的组织或器官结构。这种方法不同于传统的生物打印方法，在传统的生物打印方法中，细胞被精确地放置在预定的模式中以创建结构。

如果自主自组装生物打印可以重复实现并可预测，那么它比传统生物打印具有重大优势。例如，它允许通过调动发育形态发生过程来创建更复杂和真实的组织结构。无需外部操作，可减少细胞损伤，而细胞损伤可能成为生物打印的障碍。

研究人员正在开发新材料和技术来指导自然和内在的自组装过程，以提供更自然和功能更高的结果。这可能是生物打印最重要的研究领域，因为它有可能带来组织工程和再生医学的另一场革命。

3。迷你纸巾

微型组织（或微组织）是有限的三维细胞结构。它们用于药物发现、毒性测试和组织工程，特别是不用作患者植入物。它们是通过常用的方法打印的：带有活细胞的普通生物墨水。与其他使用的传统 2D 培养皿细胞培养物相比，微型组织的创建具有优势。通过更接近地模仿自然组织的复杂性，它们为药物测试和毒性筛查提供了更真实的结果。研究人员希望通过打印小构件来组装更大的组织和器官，这些组织和器官有可能用作患者的植入物。

3D 生物打印过程有哪些步骤？

生物打印是一个在各个方面都需要严格和高度控制的过程。随着替代技术和材料的不断开发，以下每个步骤都是一个深入研究的领域：

1。预生物打印

生物打印前的过程由各个步骤组成，这些步骤必须完全正确——如果结果是有用的组织结构，则方差和误差的幅度最小。第一步是概念化并指定所需的结构。这将定义组织的形状、大小和一般物理特性以及将使用的细胞和支持/营养材料的类型。确定结构轮廓后，使用专业 CAD 工具创建高度详细的结构 3D 模型。然后选择或创建合适的生物墨水，其中包含适合组织生长的结构、硬化和营养混合物。细胞选择和体外培养是最微妙的步骤，涉及在严格控制的条件下在培养基中孵育和促进细胞繁殖，以确保其活力和充足性。

2。生物打印

生物打印是最终的实现步骤，需要完成基础工作并构建所需的组织样本。它已准备好进行孵化，并计划用于药物评估、毒性测试或患者植入。组织样本可以通过立体光刻方法或通过设计到计划中的自组织来构建。

3。后生物打印

生物打印后，有各种关键的处理步骤，以确保构建的组织的功能和活力。首先，打印的基质材料必须进行交联以形成坚固且稳定的结构。有多种方法可供选择，通常是紫外线固化、热处理和外部应用化学试剂。然后成熟/孵育使细胞分裂和分化。为此，需要严格控制环境条件。在成熟过程中以及成熟后，都会评估细胞的活力，以确保它们发挥其预期功能。成熟后，对构建的组织进行表征以确定其物理、生物和生化特性。该过程使用组织学或免疫组织化学等技术来评估组织行为。最后，将对生物打印的组织进行测试，以确保其按预期发挥作用。有多种可能的测试可供选择，适合特定的组织类型。

3D生物打印有哪些应用？

生物打印的应用范围越来越广，但目前它的主要功能如下：

1. 药物性能和不良反应评估。
2. 毒理学测试。
3. 患者植入物。

3D 生物打印有什么好处？

生物打印是一套强大的技术，可在患者医疗保健、药物开发、环境和毒性测试等大多数领域提供日益强大的功能。下面列出了它的一些好处：

1. 可以精确构建复杂的组织结构。
2. 可用于创建用于药物测试的器官 3D 模型。这样可以更快、更少地对药物配方进行道德限制测试。
3. 减少动物测试的需要。
4. 可以创建定制植入物，以满足特定患者的需求。
5. 可以构建用于移植的活体组织和器官，尽管这种能力目前还仅限于简单的结构。这些细胞将由患者的细胞构建，因此排斥反应很小。

3D 生物打印有哪些局限性？

生物打印具有严重的局限性，这是广泛研究的主题，包括：

1. 目前无法打印具有各种细胞类型、血管和神经的复杂组织和器官。
2. 生物打印材料价格昂贵且难以生产。
3. 打印过程的机械原理经常会损坏或破坏细胞。这限制了印刷组织的生存能力。
4. 仍然是一项昂贵且基于实验室的技术。它使用昂贵的设备并需要非凡的技能。
5. 到目前为止，还没有标准或广泛接受的指南。对方法和研究小组之间的结果进行评估具有挑战性。

3D 生物打印如何推动医疗行业创新？

生物打印将成为治疗多种退行性疾病和生理状况的主要再生手术工具。打印一颗新的、有功能的心脏来替代患者受损的心脏仍然是一个遥远的前景，但早期的构建模块已经到位。目前，生物打印正在缩短并降低药物评估和认证周期的成本。它降低了新药的市场进入壁垒。

生物打印属于什么类型的 3D 打印？

生物打印通常基于立体光刻方法，根据 3D 文件逐层构建组织。下一次革命可能会进一步走向自组织，至少在蜂窝分布和定位方面是如此。

要了解更多信息，请参阅我们关于 8 种 3D 打印流程的完整指南。

3D 打印和 3D 生物打印相同吗？

不，3D 打印和 3D 生物打印并不相同，但也有相似之处。生物打印中使用的一些工具可以与快速原型制作领域中的工具互换。然而，这两个行业之间的差异是明显的，并且将迅速扩大。随着研究人员寻求产生更复杂、功能更高的结果，生物打印正在迅速超越快速原型制作领域的复杂性限制。

摘要

本文介绍了 3D 生物打印，对其进行了解释，并讨论了其各种类型和应用。要了解有关其他行业 3D 打印的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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