生物3D打印是3D打印技术革命中非常新奇有趣的一个应用，但到目前为止我们仍然几乎无法制备具有生理功能并且可以长期存活的复杂组织。不过，从中国科学院遗传与发育生物学研究所和清华大学传来了喜讯，两家单位的联合研究团队突破了相关技术瓶颈，成功打印出具有体外活性的心肌组织。该成果已于今年2月在线发表。
（图片来源：参考文献1）
生物3D打印是利用3D打印机，将含有细胞、生长因子和生物材料的生物墨水打印出仿生组织结构的新兴技术。这项技术都有哪些值得探讨的地方，中国科学家们又取得了怎样的突破，一起来看看吧。
一、生物3D打印技术难关之一——生物墨水
医疗行业从2014年开始集中关注器官组织的3D打印技术，其中最为人所知的主要是利用金属、陶瓷、塑料等材料制成填充物，修复骨骼等坚硬的人体部分。此外，3D打印技术还可以制成心脏等脏器的硅胶模型，以便外科医生在正式手术前研究疗法或进行演练。
计算机断层扫描后3D打印的棘龙头骨（两种尺寸）（图片来源：维基百科）
之后，随着生物3D打印技术的发展，如何选择合适的材料和工艺，实现打印皮肤、眼角膜这些既需要生物相容性、也对柔软度和韧性有较高要求的组织和器官，成为了如今的研究热点。与此同时，生物墨水这一新概念也逐渐走进了大家的视野。能否打印出人体器官组织，最关键的技术之一便是用于3D打印的原材料，也就是生物墨水。
在目前的生物3D打印技术中，单独的细胞本身无法充当打印材料，因此需要一些特殊的物质，作为支撑细胞存活的基质。基质与细胞融合后，混合物再从打印机的喷头中喷射出来用于打印，这种混合物便是生物墨水（有时生物墨水也单指基质本身）。根据制法、原料的不同，生物墨水的性能也不尽相同，但成分来说大多是含有干细胞的水凝胶。以胶原、明胶、玻尿酸、褐藻酸以及纳米植物细胞等生物聚合体作为基础的生物墨水，具有良好的生物相容性，同时容易进行3D打印。打印出的构造可以模仿真实的细胞间基质，这也让打印复杂的立体组织结构成为可能。
3D生物打印的适用范围（从分子、细胞再到组织和器官）（图片来源：参考文献2）
生物墨水对材料的要求极高，必须满足以下三点才可以打印出合适的组织。第一，细胞相容性，以保持干细胞的活力。第二，合适的硬度，以保持干细胞的形状。第三，适宜的柔软度和粘度，以保证其能被打印机的喷嘴喷出。
为了满足这些要求，科学家们进行了不断地实践。2017年，瑞士厂商推出了一款新型的合成生物3D打印墨水，其主要成分是水凝胶，能提供一种三维的肽纳米纤维支架，从而促进细胞的生长和移动。之后，苏黎世联邦理工学院复合材料实验室的研究团队，研发出了一种内含不同种类细菌的3D打印生物墨水，依据各种类型细菌的特性，可以适用于皮肤移植、化学物质降解等多个领域。2019年，英国纽卡斯尔大学使用生物墨水成功打印了人体角膜，整个生产过程不到10分钟。研究人员将来自健康供体角膜的干细胞与藻酸盐和胶原蛋白混合在一起，创造出了这款新型生物墨水。
即便是角膜也具有非常复杂的结构（图片来源：维基百科）
二 、生物3D打印技术难关之二——打印机
3D打印组织器官除了对生物墨水有极高的要求，也需要能配合其使用的打印机。2016年，瑞典一家公司就推出了使用生物墨水的专用3D打印机。他们研发出的配套生物墨水是以纳米纤维素为基础的水凝胶，这种材料提供了与细胞外基质相似的结构，能够让细胞与墨水混合打印。该3D打印机只要先进行立体印刷，再对打印完的结构进行交联，形成的组织就变得容易后处理并且耐冲击。
大多数3D生物打印机都采用了特殊的结构，这也让液滴喷射过程中，剪切力和液滴的冲击力对细胞活性造成的冲击可以最小化。打印机的喷头孔径一般为150微米到2毫米之间。打印过程中细胞或分子保持液态，打印后可以短时间凝固，呈现黏弹性状态。这种液态到固态的变化可以尽量减少对细胞、生物活性因子以及其他微粒的损伤，保证细胞的存活，从而有利于体外培养。打印过程中，需要将生物墨水打印在生物支架上，打印后该支架不仅能起到维持细胞混合体三维结构的作用，同时还可以维持后续细胞的生长和存活率。随着细胞的成活以及组织的形成，这些生物支架又可以经处理自行降解。
三、生物3D打印技术难关之三——印刷工艺
在生物墨水和打印机之外，还有一项因素非常关键，这就是印刷工艺。好的工艺可以将材料和设备本身的潜力发挥到最大，同时尽量避免暴露材料或者设备的缺陷。很多时候材料和设备的性能提升会陷入瓶颈，这时就需要仰仗于工艺角度的创新。当然，工艺本身和材料与设备并不能严格割裂，很多时候工艺的改进过程本身也会对材料和设备进行升级。
之前的生物3D打印技术存在的最大问题就是很难重现真正的组织结构，打印出的产物并非是三维有机体，而是一个细胞群构成的团块。团块中细胞之间的连接方式以及细胞在基体中的位置，都非常的随意而松散，与真正生物体中的有序结构相去甚远。而器官又是在组织的基础上形成的，假如连接近真实情况的组织都无法生产，3D打印器官就是更加遥远的梦想了。不过，本次中国科学家们获得的新成果，就很好地再现了打印组织的三维结构，这其中的关键就是打印工艺的革新。
研究团队首先将六轴机器人的设计原理融入到生物3D打印技术中，这种机器人具有六个可以360°自由转动的关节，所以改进后的3D打印机可以在空间内以任意角度进行细胞打印，极大地增加了3D打印的灵活性。传统技术条件下，打印过程一般为自下而上的逐层累加，细胞和血管网络也因此而难以有机融合。
专门用于生物3D打印的六轴机器人（图片来源：参考文献1）
我国研究人员重新设计了循环式的“打印-培养”工艺，不追求一次成型，添加了培养工序。具体而言就是在血管支架上打印出若干层细胞后，再对其进行的一段时间的整体共培养。当打印细胞之间诱导出具有生理功能的胞间连接和新生毛细血管网后，再进行新一轮细胞打印。这种方法虽然在生产效率上处于劣势，但在印刷质量方面具有优势，不仅可以更好地再现组织结构，还可以保证打印组织的长期存活。
经过种种努力，我国科研人员最终研发出了具有内生毛细血管网络，且能够在体外存活的心肌组织。更绝的是，这些组织可以在体外起搏超过6个月，展示出了良好的生理活性和应用前景。将类似的工艺应用于其它的干细胞和生物墨水体系，就有希望诱导培养出其它的人体组织。在未来，3D打印所需的干细胞将直接来自于患者，这些自体细胞在移植入身体后，将不会产生免疫排斥反应，从而同时解决供体不足和免疫排异这两大难题。
随着3D生物打印技术的日趋成熟，生物墨水的种类也将越来越丰富，相应的设备和材料也会实现成本降低。虽然目前人类的科学水平还不足以直接在体外培育人体器官，但不得不说中国科学家们的成果让我们向这一梦想前进了一小步。相信总有一天，我们能够攻克万难，解决器官移植供体不足的难题，造福于全体人类。
出品：科普中国
作者：李卓思（生物学博士/教授）
监制：中国科普博览
参考文献：
1. A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743
2. Recent advances in bioprinting techniques: approaches, applications and future prospects
https://translational-medicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12967-016-1028-0
3. 【CELLINK社製 3Dバイオプリンター】
http://www.filgen.jp/Product/SI/Cellink/index2.html
4. 【人工皮膚を3D印刷できるバイオプリンターを開発！35分で1㎡の移植用皮膚を作成可能】
https://www.dtod.ne.jp/world_topics/article82.php
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