生物3D打印探秘與展望

盧星漢

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印漸漸步入人們的日常生活中，同時(shí)，生物制造領(lǐng)域也成為21世紀(jì)科技的尖峰領(lǐng)域。當(dāng)生物制造與3D打印相結(jié)合，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)，便形成了一門新興的應(yīng)用技術(shù)——生物3D打印技術(shù)。其在再生醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等方面都取得了一定的成果。本文對(duì)生物3D打印技術(shù)的背景、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行探源，對(duì)于生物3D打印技術(shù)總結(jié)提煉出不同的層次，并分析了生物3D打印中面臨的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于技術(shù)難題提出可能的解決方案，最后對(duì)于生物3D打印技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞 3D打??；生物制造；醫(yī)學(xué)；生物科學(xué)

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）202-0098-02

3D打印技術(shù)近日風(fēng)靡世界，可這個(gè)技術(shù)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并不能算是一個(gè)新的概念，它在19世紀(jì)上半葉的美國(guó)就已出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)的概念還沒有成型，而3D打印技術(shù)是由互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)進(jìn)入黃金時(shí)期的。生產(chǎn)力水平的不斷提高，極大的變革了其技術(shù)水平和生產(chǎn)方式，大大降低了其生產(chǎn)成本，促使了3D打印黃金時(shí)期的到來(lái)。目前為止，面對(duì)如尿毒癥、惡性腫瘤等諸多醫(yī)學(xué)障礙，器官移植手術(shù)仍是最有效的臨床方式，但異體免疫排斥和供體器官的供應(yīng)不足，卻導(dǎo)致問(wèn)題連連。生物3D打印就應(yīng)運(yùn)而生，這種技術(shù)可以快速的制造出器官，從而很好的解決問(wèn)題。

1 生物3D打印簡(jiǎn)介

生物3D打印的基本原理和普通3D打印一樣，都是采用自下而上的方式進(jìn)行材料累積和增材制造，而打印材料為“生物墨水”——生物細(xì)胞等生物材料。生物3D打印在我國(guó)具有非常廣闊的前景。我國(guó)人口基數(shù)大，因而它在我國(guó)生物醫(yī)學(xué)方面有非常大的可應(yīng)用性。

由于生物3D打印技術(shù)擁有快速準(zhǔn)確及擅長(zhǎng)制作復(fù)雜的生物實(shí)體等特性，使得它不但可以提供供體，還可以為藥物篩選提供樣本模型，也可以把假牙、義肢等的制作變得更加私人化，更可以輕松的打造出最適合自己的人造器官，從而使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力。

2 生物3D打印的不同層次

2.1 生物細(xì)胞3D打印

顧名思義，是以DNA、蛋白質(zhì)及自我構(gòu)建的線粒體、葉綠體等細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)物質(zhì)為打印材料進(jìn)行打印的技術(shù)。但該項(xiàng)目目前技術(shù)水平達(dá)不到，故處于理論階段。

2.2 生物組織3D打印

生物組織3D打印是指在組織器官的三維模型的指導(dǎo)下，由3D打印機(jī)接受指令，定位裝配細(xì)胞材料或其他一些材料制造出來(lái)組織器官的新技術(shù)。其技術(shù)基礎(chǔ)源于2000年的一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)中，科學(xué)家們將人類的動(dòng)脈血管沿著縱向進(jìn)行環(huán)狀切除，使其成為一個(gè)個(gè)類似于魷魚圈的結(jié)構(gòu)。然后，將這一串環(huán)狀結(jié)構(gòu)用一根線狀物固定在一起，經(jīng)過(guò)72小時(shí)的培養(yǎng)之后，科學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這些被切開的動(dòng)脈血管環(huán)又重新生長(zhǎng)到一起，形成了血管。這種自愈合的能力很具有啟發(fā)性，如果在體外，我們把不同的細(xì)胞進(jìn)行3D打印，堆積成類似人類的組織或者器官的排列，這些細(xì)胞會(huì)類似前面的“魷魚圈”一樣，重新發(fā)生遷移與擴(kuò)散，通過(guò)自我愈合的效應(yīng)，形成一個(gè)完整的組織結(jié)構(gòu)。利用這個(gè)效應(yīng)，就可以實(shí)現(xiàn)生物組織的3D打印。

這種自愈合效應(yīng)的一種應(yīng)用就是生物3D打印。我們將細(xì)胞一層一層的打印在特殊的熱敏材料上，待細(xì)胞疊加完后，靜置培養(yǎng)一段時(shí)間，就可以得到我們所需要的生物結(jié)構(gòu)組織。另外一個(gè)技術(shù)就是把漿細(xì)胞和瓊脂基復(fù)合材料混合，擠出成型，在具有交聯(lián)劑的底板上就可以獲得想要的生物組織了。

2.3 生物器官3D打印

生物器官3D打印此技術(shù)相比于生物組織3D打印來(lái)說(shuō)具有更高的難度，因?yàn)樗€要額外構(gòu)建組織之間的聯(lián)系，這是其技術(shù)壁壘之一。最新的3D打印成果就是關(guān)于大段骨材料的修復(fù)，例如植入樹脂實(shí)體模型，然后使用真空離心澆鑄法構(gòu)建三維鈦網(wǎng)，制作大段骨骼。除了生物3D打印大段骨之外，還可以進(jìn)行生物凝膠球體的構(gòu)建。另外，在現(xiàn)階段比較火熱的人工肝臟制造方面以及再血管化脂肪組織構(gòu)建方面等，生物器官的3D打印技術(shù)都做出了突出的成就。

3 生物3D打印面臨的技術(shù)難題分析

雖然生物3D打印在經(jīng)濟(jì)上正處于黃金時(shí)期，但在技術(shù)上卻處于起步階段，還有很多別的問(wèn)題亟待解決。像在生物墨水的噴射過(guò)程中，它的剪切力和沖擊力，會(huì)對(duì)細(xì)胞活性造成很大的影響，并且生物墨水在噴射構(gòu)型的時(shí)候，不但要符合流體力學(xué)的要求，還要必須符合生物活性的要求。這些重要因素均會(huì)減弱細(xì)胞的活性，造成細(xì)胞的損失。從打印前到打印后的液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程中，如何維持其彈性狀態(tài)等，這些都是艱難的技術(shù)壁壘。另外選擇什么樣的細(xì)胞，用在什么樣的組織或器官上都是無(wú)比重要的，不同組織所需要的細(xì)胞種類也是不同的，如血管壁細(xì)胞和心肌細(xì)胞所需要的細(xì)胞是不同的，上皮細(xì)胞和構(gòu)成肺泡的細(xì)胞也是不同的。并且不是所有的細(xì)胞都可以進(jìn)行體外培養(yǎng)，不是所有細(xì)胞在被打印機(jī)打印出來(lái)之后都能保持其原有的活性。故如何挑選、分化、培養(yǎng)、增殖等技術(shù)都是需要經(jīng)過(guò)深思熟慮的，這就對(duì)生物3D打印技術(shù)提出了更高的要求。

除此之外，在對(duì)于組織器官的3D打印的過(guò)程中，人體不同組織器官的物理性質(zhì)也是不同的，例如骨骼的堅(jiān)硬和皮膚的柔軟，表皮細(xì)胞和體內(nèi)細(xì)胞所適應(yīng)的不同溫度。所以在3D打印的過(guò)程中就需要不同的材料，且其材料還要能最大限度的保持器官原有的細(xì)胞活性和功能。更重要的是，所選材料必須符合3D打印機(jī)所需要的材料的標(biāo)準(zhǔn)，這就使打印的難度再加大。生物3D打印的平臺(tái)也極為有限，主要有鐳射、噴繪和擠制。這三種打印平臺(tái)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)和特殊功能。還有對(duì)硬件的要求也是不同的，面對(duì)不同的生物組織及器官，進(jìn)行不同平臺(tái)的選擇也是關(guān)鍵，這些技術(shù)難題在進(jìn)行生物3D打印時(shí)都是必須優(yōu)化和不斷克服的。

4 結(jié)論

生物3D打印技術(shù)具有很大的發(fā)展前景，無(wú)論是在材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、分子科學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械工程學(xué)等方面都有很大的發(fā)展空間。它的高精度和私人化更是其受到歡迎的主要原因之一。3D打印技術(shù)擁有較快的構(gòu)建速度，可以明顯提高醫(yī)藥、器官移植方面的效率。其能從根本上解決免疫排斥反應(yīng)，更是這項(xiàng)技術(shù)的一大亮點(diǎn)。但該技術(shù)還處于探索發(fā)展階段，還有待于進(jìn)一步的發(fā)展與完善。

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