3D生物打印全解析：定义、历史、原理与关键类型

3D生物打印代表了一组早期阶段的技术。这些研究领域探讨在增材制造中使用生物材料，以打印功能性植入物和测试装置，这些装置能够模拟、刺激或复制真实组织，用于患者植入或研究工具。虽然这些技术仍处于非常早期的阶段，但它们显示出在医疗干预中带来范式转变的潜力，具有深远而重大的影响。

什么是3D生物打印？

3D生物打印是在增材制造中使用生物和生物功能材料。高度专业化的打印机被用来创建由这些生物材料构成的3D结构。例如：活细胞、生物活性框架或支架材料、生物分子等。该过程采用典型的3D打印方法逐层沉积生物材料，从而构建用于各种医疗目的的生物模拟体、框架和替代结构。

3D生物打印的目的是制造高功能、复杂的组织构建体，最终实现器官制造。这些构建体可用于患者植入、药物测试和病理建模等医疗用途。目前该技术仍处于相对原始的水平，但研究进展表明，它将通过实现功能相似甚至优于天然组织的器官定制制造，彻底改变医疗保健行业。

3D生物打印何时开始？

并没有一个单一的时刻，标志着由此产生3D生物打印的技术和研究突然突破并应用于患者解决方案。然而，有几个重大事件被视为奠定这项技术基础的里程碑。Gabor Forgacs观察到细胞可以被组织成“新的”空间结构，并且它们会结合并无限期地保持该结构。这一理解后来成为3D生物结构构建的关键，因为它揭示了生物结构可以被诱导保持特定形状。

生物相容性材料在2000年前后开始用于再生医疗解决方案。这直接促成了Wake Forest大学空间支架的构建。支架被培养的患者细胞定植，并植入体内，无需免疫抑制药物即可避免排斥反应，且证明具有长期稳定性。2002年，Landers报道了生物挤出技术，并将其商业化为“3D-Bioplotter”。Wilson和Boland在2003年使用改装的HP喷墨打印机作为生物打印机，随后在2004年利用商用SLA打印机开发了细胞负载生物打印技术并构建支架。

3D生物打印如何工作？

3D生物打印过程通常包含以下步骤：

1. 创建将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打印使用的材料包含：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，可直接用于SLA生物打印设备。打印前，必须将其注入培养的患者细胞，这些细胞将被刺激“生长”出器官。
3. 生物打印机按设计构建模型，通过标准切片软件处理。生物墨水针对各种生产方法进行配方设计，如挤出、喷墨和SLA打印。沉积的生物墨水融合形成多孔结构，准备进行细胞成熟。
4. 打印结构通过多种工艺固化为更稳定、交联的形式，具体工艺取决于特定的生物墨水类型。
5. 交联后，打印材料在生物反应器中培养。在此过程中，打印的组织/器官将被视为生命体，以优化其发育。

更多信息请参阅我们的《3D打印机工作原理》指南。

3D生物打印的重要性

生物打印在患者护理、药物开发和研究各领域的日益广泛应用，源于日益强大的工具包的发展。这很可能是制造全功能替代组织和器官的早期阶段。为手术植入定制制造新器官的能力即将彻底改变整个医疗领域。它允许利用患者自身组织诱导生成新的、完美的、真实的移植物，几乎零排斥风险。图1展示了一个生物打印器官示例：

3D生物打印器官。

图片来源：Shutterstock.com/guteksk7

3D生物打印的目的

生物打印是交付可孵化的、植入患者细胞的支架的过程，这些支架可通过孵化和培育成为替代器官。这是提供患者免疫系统将识别为“自身”的、可移植组织和器官的关键不可替代步骤。

3D生物打印有哪些不同类型？

生物打印已发展出三个截然不同的分支，各有其难点和优势：

1. 喷墨式生物打印

喷墨式生物打印利用专门改装的喷墨打印技术，将活细胞和生物材料沉积到立体光刻3D构建体上，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，根据3D设计逐层构建每一层的“图像”。这些生物墨水含有紫外光固化或热硬化元素，使每一层与下层整合结合。通过这种方式，设计的组织被铺设成3D结构，随后可通过孵化使其成熟。

喷墨式生物打印具有高分辨率、高速度的特点，适合在一次打印中应用多种细胞类型或生物材料。虽然尚未普及，但这项技术是组织工程中用于再生医学、植入医学和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细小的生物墨水液滴沉积到构建平台上。这按设计逐层构建组织。当生物墨水层沉积后，通过紫外光照射或温度变化进行固化。这一过程有助于形成完整结构，可经孵化使患者（或研究测试）所需组织成熟。在许多方面，该工艺比替代方案更简单。它允许混合细胞放置，以更接近真实组织。分辨率较低，基于挤出液滴。在许多情况下，这只是这一强大组织构建方法的一个小缺点。

3. 激光辅助生物打印

激光辅助生物打印利用激光精确转移和沉积活细胞或生物材料到构建平台上。它创建所需的3D生物结构，如组织和器官。激光束蒸发载有生物墨水的转移带上的基板材料。这导致基板闪蒸并将生物墨水喷射到构建体上。这逐层将精确的生物墨水液滴沉积到构建层上，以创建所需的3D结构。这是气泡喷墨打印的一种紧密模拟。

激光基生物打印比其他3D打印技术提供多种优势，包括对细胞放置的高精度控制、高分辨率打印能力，以及使用多种生物材料的能力，包括成分更复杂的材料。过大的激光功率可能导致细胞损伤，且该技术难以实现高细胞密度输送。

3D生物打印有哪些不同方法？

不同的3D生物打印方法如下：

1. 生物模仿

生物模仿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。生物模仿可创造更有效的方法，生产高度类似的生物组织和器官。利用天然细胞外基质（ECM）材料创建组织工程支架是生物模仿的一种形式。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材料可改善打印组织结果的结构完整性和功能性。

使用含有模拟天然组织特性（如刚度、弹性和细胞粘附）的非天然材料的生物墨水，有助于创建功能更好的打印组织。一些研究人员正在探索模仿蜘蛛吐丝方式的3D打印方法，以在打印的生物结构中创造更复杂、更符合自然特性的性能。

2. 自主自组装

自主自组装旨在使细胞自我组织并形成所需结构，而无需直接操作/放置。这种方法旨在模仿细胞在正常组织生长中自然组装的方式。患者细胞与含有可塑造成所需形状的凝胶材料的生物墨水混合。然后将细胞和生物墨水孵化，允许自组织发生。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生物打印方法，后者将细胞精确放置在预定模式中以创建结构。

如果能实现可重复且可预测，自主自组装生物打印比传统生物打印具有重大优势。例如，它通过调动发育形态发生过程，允许创建更复杂、更真实的组织结构。消除外部操作需求可减少生物打印中的细胞损伤障碍。

研究人员正在开发新材料和技术来引导自然和内在的自组装过程，以实现更自然、更高功能的结果。这或许是生物打印研究中最重要的领域，因为它有潜力在组织工程和再生医学中带来另一场革命。

3. 微型组织

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——具体而言，不用于患者植入。它们通过常用方法打印：掺杂活细胞的普通生物墨水。与传统2D培养皿细胞培养相比，微型组织的创建具有优势。通过更紧密地模拟天然组织的复杂性，它们为药物测试和毒性筛选提供更真实的结果。研究人员期望通过打印小型构建块，组装可潜在用作患者植入物的更大组织和器官。

3D生物打印工艺的步骤有哪些？

生物打印是一个在各方面都需要严谨和高度控制的过程。以下每个步骤都是深入研究的领域，因为替代技术和材料在不断开发：

1. 打印前准备

打印前准备过程包含多个步骤，每个都必须精确无误——如果结果要是有用的组织结构，误差和变异的容忍度极低。第一步是概念化并指定所需结构。这将定义组织的形状、大小和一般物理属性，以及将使用的细胞类型和支持/营养材料。定义结构轮廓后，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，包含适合所生长组织的结构、硬化和营养混合物。体外细胞选择和培养是最精细的步骤，涉及在严格控制条件下在培养基中孵化和鼓励细胞增殖，以确保其活力和充足性。

2. 生物打印

生物打印是将基础工作转化为所需组织样本的最终实现步骤。它准备好进行孵化，并按计划用于药物评估、毒性测试或患者植入。组织样本通过立体光刻方法或设计中的自组织构建。

3. 打印后处理

生物打印后，有多个关键处理步骤确保构建组织的功能和活力。首先，打印的基质材料必须交联以创建坚固稳定的结构。有多种方法可用，通常包括紫外光固化、热处理和外部化学试剂。成熟/孵化随后允许细胞分裂和分化。这需要严格控制的环境条件。在成熟期间和成熟后，评估细胞活力以确保其执行预期功能。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化等技术评估组织行为。最后，测试生物打印组织以确保其按预期功能运行。针对特定组织类型，有多种可能的测试可用。

3D生物打印有哪些应用？

生物打印的应用清单不断增长，但目前主要功能包括：

1. 药物性能和不良反应评估。
2. 毒理学测试。
3. 患者植入。

3D生物打印有哪些优势？

生物打印是一套强大的技术，正在患者医疗、药物开发、环境和毒性测试等大多数领域实现日益强大的能力。以下是其部分优势：

1. 允许精确构建复杂组织结构。
2. 可用于创建器官3D模型进行药物测试。这允许更快、伦理限制更少的药物配方测试。
3. 减少动物测试需求。
4. 可创建定制植入物，量身定制以满足特定患者需求。
5. 可构建用于移植的活组织和器官，尽管目前仅限于简单结构。这些将由患者自身细胞构建，排斥反应被证明极小。

3D生物打印有哪些局限性？

生物打印存在严重局限性，是大量研究的主题，包括：

1. 目前无法打印包含多种细胞类型、血管和神经的复杂组织和器官。
2. 生物打印材料昂贵且难以生产。
3. 打印工艺的机械特性常损伤或破坏细胞。这限制了打印组织的活力。
4. 仍是昂贵且高度依赖实验室的技术。使用昂贵设备且需要非凡技能。
5. 目前尚无标准或广泛接受的指南。不同方法和研究组之间的结果评估具有挑战性。

3D生物打印如何推动医疗行业创新？

生物打印有望成为广泛退行性疾病和生理状况的主要再生手术工具。打印新的功能性心脏替换患者受损心脏仍是遥远前景，但早期基础已就绪。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。它降低了新型药物进入市场的门槛。

生物打印属于哪种类型的3D打印？

生物打印通常基于立体光刻方法，从3D文件逐层构建组织。下一场革命可能会使其更多地转向自组织，至少在细胞分布和定位方面。

了解更多，请参阅我们的《8种3D打印工艺全指南》。

3D打印和3D生物打印是一样的吗？

不，3D打印和3D生物打印不一样，但有相似之处。生物打印使用的某些工具可与快速原型领域的工具互换。然而，两个领域的分歧明显且将迅速扩大。生物打印正迅速超越快速原型领域的复杂性限制，因为研究人员寻求生产越来越复杂和高功能的结果。

总结

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。了解其他行业的3D打印信息，请联系Xometry代表。

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Dean McClements

Dean McClements拥有机械工程一等荣誉学士学位，在制造业拥有二十多年经验。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，深入理解工程流程和创新。

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