三維生物打印技術(shù)概述：成像技術(shù)和打印技術(shù)

宋宇

木刻板印刷術(shù)的發(fā)明和后續(xù)15世紀(jì)工業(yè)化印刷術(shù)的發(fā)展使得文字和圖像信息可以快速?gòu)?fù)制和廣泛流傳?？梢哉f(shuō)，印刷術(shù)對(duì)世界范圍內(nèi)的社會(huì)、教育、政治、宗教和語(yǔ)言起到革命性的影響。在過(guò)去的幾十年內(nèi)，印刷術(shù)已經(jīng)從二維打印發(fā)展到連續(xù)層狀疊加的三維打印。由三維（3D）打印而得到的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)被快速地運(yùn)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和小范圍的特定結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。而且，該技術(shù)作為一種理想的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新，在科學(xué)與教育上也擁有很大的指導(dǎo)作用。例如像華生和克里克在模擬DNA結(jié)構(gòu)的時(shí)候所使用的球和棒模型，三維打印現(xiàn)在也被運(yùn)用于復(fù)雜的生物細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)打印，不僅幫助人們認(rèn)識(shí)相關(guān)的生物組織，也幫助人們進(jìn)一步設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新的具有功能意義的生物細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)。

三維打印由Charlies W. Hull提出。在這個(gè)被他成為“立體光刻”技術(shù)的中，材料薄層被逐層打出并且被紫外光固化，形成三維結(jié)構(gòu)。這個(gè)制備過(guò)程后來(lái)被運(yùn)用到用生物材料構(gòu)成的三維支架的可降解的樹(shù)脂模型中。后續(xù)發(fā)展的無(wú)溶劑液體基質(zhì)的成型系統(tǒng)可以直接在打印三維生物材料所構(gòu)成的支架中摻雜細(xì)胞。然后開(kāi)發(fā)出的生物組織工程的三維生物打印技術(shù)則是三維打印技術(shù)，細(xì)胞生物學(xué)與材料科學(xué)這3個(gè)領(lǐng)域的交叉發(fā)展。比如在用三維打印技術(shù)構(gòu)建一個(gè)用于臨床的支架和夾板的運(yùn)用。

在三維生物打印中，通過(guò)空間控制各個(gè)要素的打印信息逐層精確位置打印生物材料，生物化學(xué)物質(zhì)和活細(xì)胞已構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)三維生物打印的方法有很多，包括生物仿生，自組裝和采用微小組織構(gòu)建單元。研究人員通過(guò)發(fā)展這些技術(shù)來(lái)完善打印各種具有功能性的人體組織單元來(lái)實(shí)現(xiàn)臨床組織和器官功能的恢復(fù)。一個(gè)重要的挑戰(zhàn)就是如何將溶膠狀的塑料盒金屬轉(zhuǎn)變?yōu)樯锵嗳菪詢(xún)?yōu)良的生物材料。然而，核心挑戰(zhàn)則是要復(fù)制重構(gòu)出細(xì)胞外基質(zhì)的微觀環(huán)境結(jié)構(gòu)以致于各種細(xì)胞可以在合適的環(huán)境下生長(zhǎng)分化來(lái)重現(xiàn)生物功能。

筆者將集中討論三維生物打印技術(shù)。現(xiàn)在三維生物打印技術(shù)發(fā)展出很多具體使用的制備方法，但是主要的核心制備方法還是分為3類(lèi)，依次為生物仿生、自組裝和微小組織結(jié)構(gòu)單元。但是無(wú)論運(yùn)用什么方法，都必須將成像技術(shù)和打印技術(shù)相結(jié)合來(lái)構(gòu)件三維打印系統(tǒng)。

一、3種核心制備方法

1.生物仿生

生物工程已被應(yīng)用于解決許多技術(shù)問(wèn)題，包括飛行、材料研究、細(xì)胞培養(yǎng)和納米科學(xué)技術(shù)。應(yīng)用三維生物打印涉及制造細(xì)胞和細(xì)胞外組織的相同復(fù)制品。這可以通過(guò)復(fù)制具有特定細(xì)胞功能的組織組件。例如，模擬血管樹(shù)的分支模式或制造生理上精確的生物材料類(lèi)型和梯度。這種方法成功復(fù)制生物組織的關(guān)鍵在于微尺度的復(fù)制。因此，對(duì)于微環(huán)境的理解，包括功能和支持細(xì)胞類(lèi)型的具體設(shè)計(jì)，漸變的可溶性或不溶性因素，細(xì)胞外基質(zhì)的合成以及微環(huán)境生物內(nèi)驅(qū)作用力都等都是必需的。對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展將會(huì)對(duì)諸多技術(shù)領(lǐng)域，包括工程、成像、生物材料、細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)和醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用。

2.自組裝體系

復(fù)制生物組織的另一種方法是使用胚胎器官發(fā)展作為參考。組織生長(zhǎng)中早期細(xì)胞組件誘發(fā)相應(yīng)的細(xì)胞外基質(zhì)組件合成和分泌，并通過(guò)適當(dāng)?shù)募?xì)胞信號(hào)傳遞，產(chǎn)生自組結(jié)構(gòu)合成和發(fā)展，來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的生物微結(jié)構(gòu)和功能模擬?！盁o(wú)支架”技術(shù)方法的使用使自組裝細(xì)胞胞體進(jìn)行融合和分裂來(lái)模仿自然組織的生成和發(fā)展。自組裝體系依賴(lài)于細(xì)胞在組織生成的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，來(lái)指導(dǎo)組織生成過(guò)程中相關(guān)組件的合成、分布、功能實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)支持。它需要一個(gè)類(lèi)胚胎組織的發(fā)育機(jī)制和處理周?chē)h(huán)境的能力來(lái)推動(dòng)三維生物打印技術(shù)在胚胎組織工程的運(yùn)用。

3.微小組織構(gòu)件

微小組織構(gòu)件的概念是與以上2種所描述的三維打印技術(shù)息息相關(guān)的。器官和組織皆來(lái)源于小卻功能完備的組織構(gòu)件，或者微小組織構(gòu)件。這些構(gòu)件可以被定義為組織中最小的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)件，例如腎元。微小組織構(gòu)件可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，自組裝或者這兩者的結(jié)合來(lái)制造和組裝成更大的器件。主要有2種方法：第一，自組裝細(xì)胞胞體（類(lèi)似于微小組織構(gòu)件）使用生物仿生設(shè)計(jì)和合成組裝到一個(gè)大規(guī)模的組織結(jié)構(gòu)；第二，準(zhǔn)確而細(xì)致地復(fù)制出一個(gè)組織結(jié)構(gòu)單元可以被進(jìn)一步設(shè)計(jì)并通過(guò)自組裝發(fā)展成為有功能宏觀組織結(jié)構(gòu)。這些方法的例子包括血管構(gòu)建塊中通過(guò)自組裝形成支血管來(lái)構(gòu)件血管網(wǎng)絡(luò)，和通過(guò)將三維打印技術(shù)和微流體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合來(lái)構(gòu)件用于各種藥物和疫苗的篩選和體外疾病模型構(gòu)件的“器官芯片”的構(gòu)建。上面這些三維打印方法的組合可以實(shí)現(xiàn)打印一個(gè)復(fù)雜的具有多個(gè)功能，結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能和屬性的生物三維結(jié)構(gòu)。

生物打印過(guò)程主要有如下幾個(gè)步驟：生物成像和設(shè)計(jì)，材料選擇和細(xì)胞選用，以及相關(guān)組織結(jié)構(gòu)的三維打印。在完成三維打印后，所得到的的人造組織可以進(jìn)行移植，或者在某些情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的體外培養(yǎng)再移植，或者用于體外模型分析。

二、成像和數(shù)字化設(shè)計(jì)

要想對(duì)一個(gè)復(fù)雜異構(gòu)且具有功能的組織和器官進(jìn)行復(fù)制首要要求就是對(duì)這個(gè)復(fù)制組織的自然結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行充分的認(rèn)識(shí)和理解。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)做為一種高效的不可缺少的三維信息獲取技術(shù)，可以在細(xì)胞，組織和器官各個(gè)結(jié)構(gòu)層面提供全方面的信息支持。這些先進(jìn)的成像技術(shù)主要為非侵入式成像技術(shù)，包括斷層掃描成像（Computed Tomography，CT），核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。電腦輔助設(shè)計(jì)和電腦輔助制造（Computer-aided Design and Computer-aided Manufacturing，CAD-CAM）和數(shù)學(xué)建模也可以用來(lái)將斷層分析掃描組織結(jié)構(gòu)的信息數(shù)字化。

CT成像，用于診斷和介入分析，是基于不同組織對(duì)X射線的吸收程度不同而發(fā)展的技術(shù)。X射線源在照到物體對(duì)象時(shí)翻轉(zhuǎn)，或者穿透照射對(duì)象的時(shí)候，技術(shù)設(shè)備中的傳感器就會(huì)通過(guò)測(cè)量該變化后的X射線強(qiáng)度和傳播角度，來(lái)作為組織信號(hào)的一個(gè)記錄數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了組織的一個(gè)微小結(jié)構(gòu)，即體素。這個(gè)成像技術(shù)得到每一層的組織結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)合成和重組，則可以還原三維組織結(jié)構(gòu)。

核磁共振成像具有為軟組織提供空間高分辨率且增加對(duì)比度分辨率的圖像信息的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以極大限度地靠近成像組織而不會(huì)使目標(biāo)組織過(guò)多地暴露于電離輻射的危害之下。核磁共振成像使用核磁共振：細(xì)胞內(nèi)的生物分子多數(shù)都有核自旋現(xiàn)象，在一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)中，組織的每一個(gè)小部分的核自旋磁場(chǎng)則在外加磁場(chǎng)的作用下重新排列。核能量狀態(tài)的變化產(chǎn)生射頻信號(hào)，而這一信號(hào)則可以被接收線圈測(cè)量。在適當(dāng)使用對(duì)比試劑如鋇或CT使用的碘和氧化鐵，以及釓或金屬蛋白可以極大地提高核磁共振掃描成像生物結(jié)構(gòu)的對(duì)比度。這些對(duì)比增強(qiáng)試劑可以減輕X射線的強(qiáng)度或增強(qiáng)磁共振信號(hào)來(lái)對(duì)高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)成像，例如血管，直接的成像很難將它們從周?chē)沫h(huán)境中分辨出來(lái)。

一旦獲得原始圖像數(shù)據(jù)，這些成像技術(shù)就會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)處理并利用層析重建分析來(lái)構(gòu)件二維截面圖像。三維剖析結(jié)構(gòu)圖則是將這些二維截面信息進(jìn)一步分析或修改。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“分解剖析”向“合成剖析”的轉(zhuǎn)變。使用CAD-CAM計(jì)算機(jī)三維建模和數(shù)學(xué)模擬技術(shù)是被廣泛用來(lái)生成三維器官或組織結(jié)構(gòu)的處理方法。三維剖析生成三維生物結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)認(rèn)為，在同時(shí)保留圖像體素的信息用于三維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)，描繪和成像是該技術(shù)三維圖像的核心價(jià)值。重建圖像或模型可以以多種方式來(lái)展現(xiàn)，包括輪廓棧、線框模型、陰影模型或固體模型與變量照明、透明度和反射率。

如果目標(biāo)是要生成一個(gè)精確的組織和器官的圖像，那么二維橫截圖或三維結(jié)構(gòu)圖可以直接運(yùn)用于生物打印。雖然，直接復(fù)制一個(gè)病人自己的器官在工業(yè)生產(chǎn)中不會(huì)很理想（因?yàn)榧膊『蛡麣垖?dǎo)致器官的巨大差異）也不會(huì)很經(jīng)濟(jì)。但是這些成像技術(shù)則可以使這種為病人量體裁衣的精準(zhǔn)治療提供可能性。而且，用這些技術(shù)創(chuàng)立的模型還可以用來(lái)對(duì)該組織器官日后再機(jī)體內(nèi)的機(jī)械和生物化學(xué)性能。目前，CT和MRI數(shù)據(jù)已經(jīng)成為再生醫(yī)療領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)，而這些技術(shù)數(shù)據(jù)也將為生物打印技術(shù)提供全方面的幫助。

三、組織生物打印方法

主要沉積和構(gòu)型的生物材料制備技術(shù)包括噴墨，微擠出和激光輔助成型?；趯?duì)表面粗糙度，細(xì)胞存活率和可用于打印的生物材料的不同使用條件的要求，這些成型方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)都需要被仔細(xì)考慮。

1.噴墨打印

噴墨打印機(jī)（也被稱(chēng)為按需滴定打印機(jī)）是在生物樣品和非生物樣品成型時(shí)最經(jīng)常使用的打印機(jī)。可控液體體積被輸送到預(yù)先設(shè)定的打印位置。第1臺(tái)運(yùn)用于生物打印的噴墨打印機(jī)是基于商業(yè)二維墨基打印機(jī)的原型進(jìn)行發(fā)展而得到的。在這個(gè)打印機(jī)中，墨盒中的墨水被可打印的生物材料取代，而紙張則變成可以提供Z軸方向（除了X和Y軸方向的第3維度）控制的電控升降打印平臺(tái)。現(xiàn)在，墨基生物打印機(jī)可以按照不同客戶在分辨率，精準(zhǔn)度和速度各方面的具體需求處理并打印相關(guān)的生物材料。噴墨打印機(jī)是利用熱的或聲的驅(qū)動(dòng)作用來(lái)將生物材料液滴打印在一個(gè)特定的材料基底上。

熱噴墨打印機(jī)通過(guò)電加熱打印頭以產(chǎn)生迫使墨滴從噴嘴出來(lái)的壓力脈沖而起作用。幾個(gè)研究已經(jīng)證明，該局部加熱（其可以在200～300℃的范圍內(nèi)）對(duì)生物分子（例如DNA）的穩(wěn)定性或?qū)哂泄δ艿牟溉閯?dòng)物細(xì)胞的存活率和后期培養(yǎng)不具有實(shí)質(zhì)性影響。已經(jīng)證明，加熱的短持續(xù)時(shí)間（～2μs）導(dǎo)致打印機(jī)頭中的總體溫度僅升高4～10℃。熱噴墨打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括高的打印速度，低成本和廣泛運(yùn)用范圍。然而，將細(xì)胞和材料暴露于熱和機(jī)械應(yīng)力，低液滴方向性，不均勻液滴尺寸，噴嘴頻繁堵塞和不可靠的細(xì)胞封裝的風(fēng)險(xiǎn)等這些相當(dāng)大的缺點(diǎn)使得在3D生物打印中使用這些打印機(jī)還不是特別理想。

許多噴墨打印機(jī)包含壓電晶體，其在打印頭內(nèi)部產(chǎn)生聲波，以便以規(guī)則的間隔將液體破碎成液滴。向壓電材料施加電壓引起形狀的快速變化，這又產(chǎn)生從噴嘴噴射液滴所需的壓力。其他噴墨打印機(jī)使用與超聲場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的聲輻射力從空氣-液體界面噴射液滴。可以調(diào)節(jié)超聲參數(shù)，例如脈沖，持續(xù)時(shí)間和振幅，以控制液滴的尺寸和噴射速率。聲噴墨打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括產(chǎn)生和控制均勻的液滴尺寸和噴射方向性以及避免細(xì)胞暴露于熱和壓力應(yīng)力源。另外，可以通過(guò)使用開(kāi)放池?zé)o噴嘴噴射系統(tǒng)來(lái)避免施加在噴嘴末端壁處的細(xì)胞上的剪切應(yīng)力。這降低了細(xì)胞活力和功能的潛在損失，并避免了噴嘴堵塞的問(wèn)題。聲學(xué)噴射器可以以可調(diào)節(jié)陣列形式組合成多個(gè)噴射器，以便于同時(shí)印刷多種電池和材料類(lèi)型。即使如此，仍然存在一些關(guān)于壓電噴墨生物打印機(jī)使用的15～25kHz頻率以及它們誘導(dǎo)細(xì)胞膜損傷和溶解的可能性。由于使用較高粘度的溶液噴射液滴所需的過(guò)大的力，噴墨生物打印機(jī)也對(duì)材料粘度（理想地低于10cP）具有限制。

噴墨生物打印的一個(gè)常見(jiàn)缺點(diǎn)是生物材料必須是液體形式以便能夠形成液滴；因此，印刷液體必須形成具有結(jié)構(gòu)組織和功能的固體3D結(jié)構(gòu)。這種限制可以通過(guò)使用在沉積后可以通過(guò)pH或紫外線機(jī)制的印刷而交聯(lián)的材料來(lái)解決。然而，交聯(lián)通常會(huì)減慢生物打印過(guò)程并涉及天然存在的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）材料的化學(xué)改性，這改變了它們的化學(xué)和材料性質(zhì)。另外，一些交聯(lián)機(jī)制需要對(duì)細(xì)胞有毒性的產(chǎn)物或條件，其導(dǎo)致活力和功能性降低?；趪娔纳锎蛴〖夹g(shù)的用戶遇到的另一個(gè)限制是難以實(shí)現(xiàn)生物相關(guān)的細(xì)胞密度。通常，低細(xì)胞濃度（少于1 000萬(wàn)細(xì)胞/mL）用于促進(jìn)液滴形成，避免噴嘴堵塞和降低剪切應(yīng)力。較高的細(xì)胞濃度也可以抑制一些水凝膠交聯(lián)機(jī)制。

盡管存在這些缺點(diǎn)，基于噴墨的生物打印機(jī)還擁有許多優(yōu)點(diǎn)，包括低成本，高分辨率，高速度和與許多生物材料的相容性。噴墨印刷的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)改變液滴密度或尺寸而在整個(gè)3D結(jié)構(gòu)中引入細(xì)胞，材料或生長(zhǎng)因子的濃度梯度。由于標(biāo)準(zhǔn)2D噴墨打印機(jī)的可用性，許多實(shí)驗(yàn)室的研究人員可以讀取，修改和實(shí)驗(yàn)基于3D噴墨的生物打印技術(shù)。由于其簡(jiǎn)單的部件和容易獲得的設(shè)計(jì)和控制軟件，商業(yè)上可獲得的噴墨生物打印機(jī)也是相對(duì)成本有效的。該技術(shù)由許多團(tuán)體的廣泛應(yīng)用加速了噴墨生物打印機(jī)精確沉積具有均勻細(xì)胞密度的高分辨率和精確可控液滴尺寸的能力的進(jìn)步。液滴尺寸和沉積速率可以電子控制，并且范圍可以為<1pL至>300pL，體積比率為1～10 000液滴/s。已印刷了單個(gè)液滴的圖案，每個(gè)液滴包含1～2個(gè)細(xì)胞，線寬約50μm。未來(lái)的進(jìn)步將繼續(xù)適應(yīng)這種技術(shù)，以處理和沉積其他生物相關(guān)材料，以便于它們的印刷和提供組織的基本生物，結(jié)構(gòu)和功能組件的方式。還必須解決額外的復(fù)雜性，例如對(duì)多種細(xì)胞類(lèi)型和材料的需求。

噴墨生物打印方法的顯著實(shí)例包括原位功能性皮膚和軟骨的再生。該方法的高印刷速度使得可以將細(xì)胞和材料直接沉積到皮膚或軟骨損傷中。這些應(yīng)用通過(guò)生物相容性化學(xué)反應(yīng)或光引發(fā)劑實(shí)現(xiàn)含細(xì)胞材料的快速交聯(lián)，并通過(guò)將材料暴露于紫外光下進(jìn)行交聯(lián)。噴墨方法促進(jìn)原代細(xì)胞或干細(xì)胞類(lèi)型的沉積，其在整個(gè)病變體積中具有均勻的密度，并且在印刷后維持高細(xì)胞活力和功能。這些研究表明基于噴墨的生物打印再生功能結(jié)構(gòu)的潛力。

使用靜電紡絲和噴墨生物打印的組合也在體外制造了層狀軟骨構(gòu)建體?；旌想娂徑z—噴墨生物打印技術(shù)使得制造支持細(xì)胞功能并保持合適的機(jī)械和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的層狀構(gòu)建體的打印成為可能。噴墨生物打印機(jī)也已經(jīng)用于制造骨骼構(gòu)建體的制備，所構(gòu)建的骨骼構(gòu)建體在植入小鼠之前在體外發(fā)育到一定階段，然后它們繼續(xù)在體內(nèi)成熟并形成與內(nèi)源性骨組織具有相似密度的高度礦化的組織。

2.微擠出生物打印

最常見(jiàn)和負(fù)擔(dān)得起的非生物3D打印機(jī)使用微擠出。微擠出生物打印機(jī)通常包括溫度控制的材料處理和分配系統(tǒng)和階段，其中1～2個(gè)能夠沿著X、Y和Z軸移動(dòng)，用于照射沉積區(qū)域的光纖光源和/或用于光引發(fā)劑激活，用于XYZ命令和控制的攝像機(jī)，以及壓電加濕器。一些系統(tǒng)使用多個(gè)打印頭來(lái)促進(jìn)幾種材料的串行分配，而無(wú)需重新裝配。每年在全球銷(xiāo)售近30 000臺(tái)3D打印機(jī)，并且學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)越來(lái)越多地在組織和器官工程研究中購(gòu)買(mǎi)和應(yīng)用微擠出技術(shù)。工業(yè)打印機(jī)相當(dāng)昂貴，但是具有更好的分辨率，速度，空間控制能力和在它們可以打印的材料中的更大的靈活性。

微擠出打印機(jī)通過(guò)機(jī)械控制擠出材料來(lái)起作用，該材料通過(guò)微擠出頭沉積到基底上。微擠出產(chǎn)生連續(xù)的材料珠而不是液滴。如CAD-CAM軟件所指導(dǎo)的，在2個(gè)維度上沉積小的材料珠，階段或微擠出頭沿著z軸移動(dòng)，并且沉積層用作下一層的基礎(chǔ)。大量的材料與微型擠出打印機(jī)兼容，包括材料如水凝膠，生物相容的共聚物和細(xì)胞球體。擠壓用于3D生物打印應(yīng)用的生物材料的最常見(jiàn)方法是氣動(dòng)或機(jī)械（活塞或螺桿）分配系統(tǒng)。由于氣動(dòng)系統(tǒng)中的壓縮氣體體積的延遲，機(jī)械分配系統(tǒng)可以提供對(duì)材料流的更直接的控制?；诼輻U的系統(tǒng)可以提供更多的空間控制，并且認(rèn)為有利于分配具有較高粘度的水凝膠，盡管氣動(dòng)系統(tǒng)也可以適合于分配高粘度材料。氣動(dòng)打印機(jī)具有具有更簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件的優(yōu)點(diǎn)，其力僅受系統(tǒng)的空氣壓力能力的限制。機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有更小和更復(fù)雜的部件，其提供更大的空間控制，但通常具有降低的最大力能力。

微擠出方法具有非常寬范圍的流體性質(zhì)，其與該方法相容，具有文獻(xiàn)中描述的廣泛的生物相容性材料。已經(jīng)顯示粘度范圍為30mPa/s至>6×107mPa/s的材料與微擠出生物印刷機(jī)相容，其中較高粘度的材料通常為印刷構(gòu)造提供結(jié)構(gòu)支撐，而較低粘度材料提供合適的環(huán)境維持細(xì)胞活力和功能。對(duì)于微擠出生物打印，研究人員經(jīng)常利用可熱交聯(lián)和/或具有純粹稀薄特性的材料。幾種生物相容性材料可以在室溫下流動(dòng)，這允許它們與其他生物組分一起擠出，但在體溫下交聯(lián)成穩(wěn)定的材料?；蛘?，在生理上合適的溫度（35～40℃）下流動(dòng)但在室溫下交聯(lián)的材料也可用于生物打印應(yīng)用。具有剪切稀化性質(zhì)的材料通常用于微擠出應(yīng)用。這種非牛頓材料行為導(dǎo)致響應(yīng)于剪切速率的增加而降低粘度。在生物制造期間存在于噴嘴處的高剪切速率允許這些材料流過(guò)噴嘴，并且在沉積時(shí)，剪切速率降低，導(dǎo)致粘度急劇增加。微擠出系統(tǒng)的高分辨率允許生物打印機(jī)準(zhǔn)確地制造使用CAD軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)并且促進(jìn)多種細(xì)胞類(lèi)型的圖案化。

微擠壓生物打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠沉積非常高的細(xì)胞密度。在組織工程器官中實(shí)現(xiàn)生理學(xué)的細(xì)胞密度是生物打印領(lǐng)域的主要目標(biāo)。一些組已經(jīng)使用僅包含細(xì)胞的溶液以利用微擠出印刷創(chuàng)建3D組織構(gòu)建體。沉積多細(xì)胞細(xì)胞球體并允許其自組裝成所需的3D結(jié)構(gòu)。組織球體被認(rèn)為具有可以復(fù)制組織ECM的機(jī)械和功能性質(zhì)的材料性質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的粘彈性性質(zhì)，并置的細(xì)胞聚集體彼此融合，形成粘性宏觀結(jié)構(gòu)。自組裝球體策略的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是潛在地加速組織組織和指導(dǎo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的能力。這種方法通過(guò)在3D生物打印的器官中通過(guò)圖案化自組裝血管組織球狀體來(lái)顯示在3D厚組織或器官結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生器官內(nèi)支脈管樹(shù)的希望。用于無(wú)支架組織球體生物打印的最常見(jiàn)的技術(shù)是機(jī)械微擠出。

微擠壓生物打印后的細(xì)胞活力低于基于噴墨的生物打??；細(xì)胞存活率在40%～86%的范圍內(nèi)，隨著擠出壓力的增加和噴嘴規(guī)格的增加速率降低。通過(guò)微擠出沉積的細(xì)胞降低存活力可能源于粘性流體中施加在細(xì)胞上的剪切應(yīng)力。分配壓力可能比噴嘴直徑對(duì)細(xì)胞活力具有更大的影響。盡管可以使用低壓力和大噴嘴尺寸來(lái)維持細(xì)胞活力，但缺點(diǎn)可能是分辨率和打印速度的主要損失。保持高活力對(duì)于實(shí)現(xiàn)組織功能是必要的。雖然許多研究報(bào)告維持印刷后的細(xì)胞活力，研究人員證明這些細(xì)胞不僅生存，而且在組織構(gòu)建中執(zhí)行其基本功能是重要的。

增加打印分辨率和速度對(duì)于許多微擠出生物打印技術(shù)的用戶是一個(gè)挑戰(zhàn)。非生物微擠出打印機(jī)能夠在10～50μm/s的線速度下分辨率為5μm和200μm。是否這些參數(shù)可以使用生物相關(guān)材料匹配，同時(shí)保持高細(xì)胞活力和功能尚待觀察。使用改進(jìn)的生物相容材料，例如動(dòng)態(tài)交聯(lián)的水凝膠，其在印刷期間機(jī)械穩(wěn)定，并且在印刷后形成二次機(jī)械性能可能有助于在印刷后維持細(xì)胞活力和功能。單相、雙相和連續(xù)級(jí)配支架也正在使用類(lèi)似的原則設(shè)計(jì)。此外，噴嘴、注射器或電機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)可以減少打印時(shí)間以及允許同時(shí)沉積多種不同的材料。

微擠出生物打印機(jī)已經(jīng)用于制造多種組織類(lèi)型，包括主動(dòng)脈瓣，分支的血管樹(shù)和體外藥代動(dòng)力學(xué)以及腫瘤模型。盡管對(duì)于高分辨率復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造時(shí)間可能較慢，但是已經(jīng)構(gòu)建了從臨床相關(guān)組織尺寸到微流體室中的微組織的構(gòu)建體。

3.激光輔助生物打印

激光輔助生物打?。↙AB）基于激光誘導(dǎo)的正向轉(zhuǎn)移的原理。最初開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)移金屬，激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移技術(shù)已成功應(yīng)用于生物材料，如肽、DNA和細(xì)胞。雖然不太常見(jiàn)于噴墨或微擠出生物打印，但LAB越來(lái)越多地用于組織和器官工程應(yīng)用。典型的LAB裝置由脈沖激光束、聚焦系統(tǒng)，具有通常由被激光能量吸收層（例如，金或鈦）覆蓋的玻璃制成的供體傳輸支撐體的“帶”在液體溶液中制備的生物材料（例如，細(xì)胞和/或水凝膠），以及面向帶的接收基底。LAB使用聚焦激光脈沖在帶的吸收層上產(chǎn)生將含細(xì)胞的材料推向收集器基底的高壓氣泡。

LAB的分辨率受許多因素影響，包括激光能量密度（每單位面積傳遞的能量），表面張力，基底的潤(rùn)濕性，帶和基底之間的空氣間隙，以及生物體的厚度和粘度層。因?yàn)長(zhǎng)AB是無(wú)噴嘴的，所以避免了與其它生物打印技術(shù)困擾的細(xì)胞或材料堵塞的問(wèn)題。LAB與一系列粘度（1～300Pa/s）兼容，可以打印哺乳動(dòng)物細(xì)胞，對(duì)細(xì)胞活力和功能的影響可以忽略不計(jì)。LAB可以以高達(dá)108細(xì)胞/毫升的密度沉積細(xì)胞，使用5kHz的激光脈沖重復(fù)速率，每滴的單個(gè)細(xì)胞的微觀分辨率，速度高達(dá)1 600mm/s。

盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但是LAB的高分辨率需要快速的凝膠動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)高的形狀保真度，這導(dǎo)致相對(duì)低的總流速。對(duì)于每種印刷的細(xì)胞或水凝膠類(lèi)型通常需要的每個(gè)單獨(dú)的帶的制備是耗時(shí)的，并且如果必須共同沉積多種細(xì)胞類(lèi)型和/或材料，則可能變得繁重。由于帶狀細(xì)胞涂層的性質(zhì)，可能難以精確地靶向和定位細(xì)胞。這些挑戰(zhàn)中的一些可以通過(guò)使用細(xì)胞識(shí)別掃描技術(shù)來(lái)使激光束能夠每個(gè)脈沖選擇單個(gè)細(xì)胞來(lái)克服。這種所謂的“瞄準(zhǔn)和射擊”程序可以確保每個(gè)印刷的液滴包含預(yù)定數(shù)量的細(xì)胞。然而，統(tǒng)計(jì)細(xì)胞印刷可以使用具有非常高的細(xì)胞濃度的條帶實(shí)現(xiàn)，避免了對(duì)這種特異性細(xì)胞靶向的需要。最后，由于在印刷期間金屬激光吸收層的蒸發(fā)，金屬殘留物存在于最終的生物打印構(gòu)造中。避免這種污染的方法包括使用非金屬吸收層和改變印刷過(guò)程以不需要可吸收層。這些系統(tǒng)的高成本也是基本組織工程研究的關(guān)注，盡管與大多數(shù)3D打印技術(shù)的情況一樣，這些成本正在迅速降低。

LAB用于制造細(xì)胞化皮膚構(gòu)建體的應(yīng)用證明了在層狀組織構(gòu)建體中印刷臨床相關(guān)細(xì)胞密度的潛力，但是不清楚該系統(tǒng)是否可以按比例放大用于較大的組織大小。體內(nèi)LAB已被用于在小鼠顱蓋3D缺陷模型中沉積納米羥基磷灰石。

在這些研究中，填充3mm直徑、600μm深的顱蓋洞作為概念的證明。激光3D打印已被用于制造醫(yī)療設(shè)備，例如定制、非細(xì)胞的、可生物再吸收的氣管夾板，其被植入到具有局部氣管支氣管軟化的年輕患者中。未來(lái)的研究可能使用可直接整合到患者組織中的材料。另外，并入患者自身的細(xì)胞可促進(jìn)這些類(lèi)型的構(gòu)建體對(duì)組織的結(jié)構(gòu)和功能組分都有貢獻(xiàn)的適用性。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上闡述，讀者可以對(duì)三維生物打印技術(shù)中的主要成像技術(shù)和打印技術(shù)有一個(gè)詳細(xì)的了解。這些技術(shù)的發(fā)展得益于各個(gè)交叉學(xué)科的共同進(jìn)步和發(fā)展，而三維生物打印技術(shù)則是將這些技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性地整合和運(yùn)用，使得它們可以更好地服務(wù)于人類(lèi)社會(huì)關(guān)于精確治療的這個(gè)大目標(biāo)。在三維生物打印技術(shù)中所使用到的成像技術(shù)，很多都發(fā)源于醫(yī)療成像技術(shù)，也算是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的延伸和發(fā)展。然而，打印技術(shù)卻得益于工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，它的發(fā)展卻是與醫(yī)學(xué)相關(guān)性很少。人們創(chuàng)新性地將2種技術(shù)相結(jié)合，用細(xì)胞及其生長(zhǎng)組件作為打印材料，推出并發(fā)展三維生物打印技術(shù)可以算是產(chǎn)業(yè)和生命科學(xué)的完美結(jié)合。這其中所體現(xiàn)的并不只是科學(xué)的進(jìn)步，更是人類(lèi)智慧的結(jié)晶。隨著醫(yī)療技術(shù)的深入發(fā)展，精確治療已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域的行業(yè)期許和專(zhuān)業(yè)要求。在這樣的背景下，三維生物打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，一定可以為人類(lèi)的醫(yī)療健康事業(yè)的高效安全可持續(xù)的發(fā)展提供巨大產(chǎn)業(yè)愿景和技術(shù)保障。