3D生物打印技术 汪天行16307130183 技术原理 3D打印构成了新一轮技术创新和产业变革的不可或缺的力量,在3D打印技 术的应用领域中,生物医疗已经成为了其重要范畴。目前,生物3D打印技术已 经被广泛应用于术前规划、体外医疗器械、金属植入物等领域,且以可降解体内 植入物和3D打印生物组织/器官等方向作为发展主要方向。 3D生物打印技术是一项融合了制造科学与生物医学的一项具有交叉性和前 沿性的新兴技术,其基于离散-堆积成形原理,以活细胞、生物活性因子及生物 材料的基本成形单元,设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结 构。目前生物3D打印主要有三种打印方式:挤压成型生物打印( extrusion- based bioprinting,简称EB)、液滴喷射生物打印( droplet- based bioprinting or inkjet,简称DB)以及激光辅助生物打印( Laser- based bioprinting,简称 LBB) EBB是目前最常用的3D生物打印技术,市场化程度也最高。其工作原理类似 传统的3D打印技术FDM( Fused Deposition Modeling),FDM是将打印材料融化 然后挤压成丝( filament)打印出来,凝固后形成设计的形状。EBB是用机动或气 动的方式产生压强,将生物墨水( Boink:仿生物材料,起到支撑细胞的作用) 从针头挤出(图1)。这种打印方式的优点在于可以选择针头大小,并且调节压强 与温度来控制打印速率和分辨率,拥有比较髙的精确度(精确到5微米),并且 成本相对较低。但弊端在于由于没有足够的粘性,流体材料无法线性地打印出来, 不适用于流体材料。相反,打印材料由于高粘性容易堵塞针头。 Pneumati Piston Screw ←in|et 图(1) DB的工作原理类似于生活中用的喷墨打印机。生物墨水成滴状打印出来
3D 生物打印技术 汪天行 16307130183 技术原理 3D 打印构成了新一轮技术创新和产业变革的不可或缺的力量，在 3D 打印技 术的应用领域中，生物医疗已经成为了其重要范畴。目前，生物 3D 打印技术已 经被广泛应用于术前规划、体外医疗器械、金属植入物等领域，且以可降解体内 植入物和 3D 打印生物组织/器官等方向作为发展主要方向。 3D 生物打印技术是一项融合了制造科学与生物医学的一项具有交叉性和前 沿性的新兴技术，其基于离散-堆积成形原理，以活细胞、生物活性因子及生物 材料的基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结 构。目前生物 3D 打印主要有三种打印方式：挤压成型生物打印（extrusion-based bioprinting, 简称 EBB）、液滴喷射生物打印（droplet-based bioprinting or inkjet, 简称 DBB）以及激光辅助生物打印（Laser-based bioprinting, 简称 LBB）。 EBB 是目前最常用的 3D 生物打印技术，市场化程度也最高。其工作原理类似 传统的 3D 打印技术 FDM(Fused Deposition Modeling)，FDM 是将打印材料融化， 然后挤压成丝(filament)打印出来，凝固后形成设计的形状。EBB 是用机动或气 动的方式产生压强，将生物墨水（Bioink：仿生物材料，起到支撑细胞的作用） 从针头挤出（图 1）。这种打印方式的优点在于可以选择针头大小，并且调节压强 与温度来控制打印速率和分辨率，拥有比较高的精确度（精确到 5 微米），并且 成本相对较低。但弊端在于由于没有足够的粘性，流体材料无法线性地打印出来， 不适用于流体材料。相反，打印材料由于高粘性容易堵塞针头。 图（1） DBB 的工作原理类似于生活中用的喷墨打印机。生物墨水成滴状打印出来
喷头通常数量较多来提高打印速度。常见的喷绘方法有三种:压电效应 ( piezoelectric),热( thermal),和气压( pneumatic)(图2)。三种方法都是通 过改变压强来喷出滴状墨水。液滴喷射打印每次喷出一滴墨水,挤压成型打印 则是连续的长条形状。液滴喷射打印和挤压成型打印的其他区别在于它使用了更 细的喷头,通过喷射的方式可以打印流体材料,因此具有很高的材料适用性,并 且它的打印速度相较于挤压成型打印更加的快速。但它的缺点在于精确度相对较 低,喷射出的液体存在溅射,所以精度只能达到挤压成型的十分之一左右(约50 微米)。 Thermal Solenoid Valve Piezoeled actuator 图(2) 以上两种打印技术虽然都已经达到了很高的精确度,但是相较激光辅助生物 打印还是有所差距。因为EB,DBB打印技术的精确度局限于导出材料的物质特性 (比如材料堆叠时形成的间隙),材料流动时产生的剪应力以及打印针头的直径 等等 LBB是利用化学上的聚合作用( photopolymerization)激光使含有细胞聚合 物( photosensitive polymer)产生交叉链接( cross-link)从而硬化形成固体 由于采用的是激光投射,精确度很高可以打印复杂的形状以及结构。常见的LBB 有两种形式,一种是LIFT( laser induced forward transfer)(见图3),原理 是将激光反射到一层含有细胞的生物材料上,被激光定点照到的那部分会形成液 滴落下,通过激光扫过不同区域来形成需要的形状。另一种是数字激光打印DLP ( digital light printing),原理是将激光通过数以万计的微小镜子(DMD, digital micromirror)反射到生物材料上,通过改变每个镜子的角度可以反射 高精确度的图案,被反射的光照到的材料会硬化从而形成最后想要的形状,因为 使用了棱镜折射技术,单条激光射线可以同时打印一块区域,它的打印速度非常 快(大于1mm/s)
喷头通常数量较多来提高打印速度。常见的喷绘方法有三种：压电效应 (piezoelectric)，热(thermal)，和气压(pneumatic)（图 2）。三种方法都是通 过改变压强来喷出滴状墨水。 液滴喷射打印每次喷出一滴墨水，挤压成型打印 则是连续的长条形状。液滴喷射打印和挤压成型打印的其他区别在于它使用了更 细的喷头，通过喷射的方式可以打印流体材料，因此具有很高的材料适用性，并 且它的打印速度相较于挤压成型打印更加的快速。但它的缺点在于精确度相对较 低，喷射出的液体存在溅射，所以精度只能达到挤压成型的十分之一左右（约 50 微米）。 图（2） 以上两种打印技术虽然都已经达到了很高的精确度，但是相较激光辅助生物 打印还是有所差距。因为 EBB,DBB 打印技术的精确度局限于导出材料的物质特性 （比如材料堆叠时形成的间隙），材料流动时产生的剪应力以及打印针头的直径 等等。 LBB 是利用化学上的聚合作用（photopolymerization) 激光使含有细胞聚合 物（photosensitive polymer）产生交叉链接（cross-link）从而硬化形成固体。 由于采用的是激光投射，精确度很高可以打印复杂的形状以及结构。常见的 LBB 有两种形式，一种是 LIFT（laser induced forward transfer）(见图 3)，原理 是将激光反射到一层含有细胞的生物材料上，被激光定点照到的那部分会形成液 滴落下，通过激光扫过不同区域来形成需要的形状。另一种是数字激光打印 DLP （digital light printing），原理是将激光通过数以万计的微小镜子（DMD， digital micromirror）反射到生物材料上，通过改变每个镜子的角度可以反射 高精确度的图案，被反射的光照到的材料会硬化从而形成最后想要的形状，因为 使用了棱镜折射技术，单条激光射线可以同时打印一块区域，它的打印速度非常 快（大于 1mm/s）
Laser pulse Solidified boink Liquid boink Laser pulse Quartz support Energy absorbing layer Built pressure 技术应用 3D生物打印目前已经有一些成功案例,比如用于重建皮肤组织。皮肤的角化 细胞和纤维原细胞可以利用挤压式技术累叠,并通过一定时间的培养形成具有上 皮和真皮的组织细胞。对于生物打印领域的当前状态,3D皮肤构建体可以构建 基于成像数据和与其它相对难度较低的较厚组织与器官。技术成熟后,打印皮肤 结构将与天然皮肤组织十分相似。皮肤生物打印的进一步发展,未来将能够实现 为患者伤口按需定制符合自体皮肤的构建体,另一个有趣的应用是在伤口治疗中
图（3） 技术应用 3D 生物打印目前已经有一些成功案例,比如用于重建皮肤组织。皮肤的角化 细胞和纤维原细胞可以利用挤压式技术累叠，并通过一定时间的培养形成具有上 皮和真皮的组织细胞。对于生物打印领域的当前状态，3D 皮肤构建体可以构建 基于成像数据和与其它相对难度较低的较厚组织与器官。技术成熟后，打印皮肤 结构将与天然皮肤组织十分相似。皮肤生物打印的进一步发展，未来将能够实现 为患者伤口按需定制符合自体皮肤的构建体，另一个有趣的应用是在伤口治疗中
进行皮肤原位生物打印。生物打印出的体外肺三维模型己被应用于药物筛选和检 测,利用挤压成型打印法打印出均匀的细胞和人工基底膜从而来模拟肺的功能 3D生物打印的一个应用是打印微流控分析芯片。微流控芯片技术把生物化学 医学分析过程的样品制备,反应,分离,检测等基本操作集成到一块微型芯片上 完成。一个例子是数字激光打印(DLP)。其工作原理是使用数字激光打印,激光 通过微型镜反射照射在涂在聚合材料的版面上使其部分聚合使其形成一个模板 并通过异丙醇清洗未聚合的部分。之后利用聚二甲硅氧烷在模板上浇筑,从而形 成微流控芯片。3D生物打印可用于打印肌肉韧带并使其在人体中重生,利用生 异质聚合材料物打印出四个不同的组织组成部分用来整合成一个肌肉韧带单元 MTU)。MTU材料在肌肉的一侧有弹性,在跟腱的一侧很坚硬。同时成肌细胞被 打印在肌肉侧,纤维母细胞被打印在跟腱侧。 3D生物打印也广泛地应用在检测药物上,通过在芯片上打印人体器官,可以 更好的模拟人体内部环境,从而用来提高检测药物的准确性和效率。图(4)显示 了整合了心脏,肺和肝的系统,相比传统的药物检测方法,这样可以做到在实验 室中更低成本的并且更好的模拟活体环境。(3D生物打印证明了精确模型可以改 善我们评估新药物的方式,例如生成由多种类型细胞组成的“类器官”,以及具 有工程血管的肿瘤模型。此类措施可在多个器官中实时快速监测药物的相互作用, 但可能需要多次迭代以实现这一目的,例如加入血管、连接器官模型。 a peristaltic TEER 1. Liver Module 3. Lung Module 2. Heart Module 图(4) 另一个例子是通过激光打印技术打印出的可以在人体中游动的鱼形模型。它 通过激光使聚合物聚合从而打印出鱼形形状,在鱼的头和尾巴分别利用挤压式打 印(EB)将氧化铁和铂注入,从而可以通过磁极控制鱼型模型。此类鱼形模型 可以在剪切稀化和剪切厚化溶液中游动从而实现传送药物的目的(图5)
进行皮肤原位生物打印。生物打印出的体外肺三维模型已被应用于药物筛选和检 测，利用挤压成型打印法打印出均匀的细胞和人工基底膜从而来模拟肺的功能。 3D 生物打印的一个应用是打印微流控分析芯片。微流控芯片技术把生物化学 医学分析过程的样品制备，反应，分离，检测等基本操作集成到一块微型芯片上 完成。一个例子是数字激光打印（DLP）。其工作原理是使用数字激光打印，激光 通过微型镜反射照射在涂在聚合材料的版面上使其部分聚合使其形成一个模板， 并通过异丙醇清洗未聚合的部分。之后利用聚二甲硅氧烷在模板上浇筑，从而形 成微流控芯片。3D 生物打印可用于打印肌肉韧带并使其在人体中重生，利用生 异质聚合材料物打印出四个不同的组织组成部分用来整合成一个肌肉韧带单元 （MTU)。MTU 材料在肌肉的一侧有弹性，在跟腱的一侧很坚硬。同时成肌细胞被 打印在肌肉侧，纤维母细胞被打印在跟腱侧。 3D 生物打印也广泛地应用在检测药物上，通过在芯片上打印人体器官，可以 更好的模拟人体内部环境，从而用来提高检测药物的准确性和效率。图(4)显示 了整合了心脏，肺和肝的系统，相比传统的药物检测方法，这样可以做到在实验 室中更低成本的并且更好的模拟活体环境。（3D 生物打印证明了精确模型可以改 善我们评估新药物的方式，例如生成由多种类型细胞组成的“类器官”，以及具 有工程血管的肿瘤模型。此类措施可在多个器官中实时快速监测药物的相互作用， 但可能需要多次迭代以实现这一目的，例如加入血管、连接器官模型。 图（4） 另一个例子是通过激光打印技术打印出的可以在人体中游动的鱼形模型。它 通过激光使聚合物聚合从而打印出鱼形形状，在鱼的头和尾巴分别利用挤压式打 印（EBB）将氧化铁和铂注入，从而可以通过磁极控制鱼型模型。此类鱼形模型 可以在剪切稀化和剪切厚化溶液中游动从而实现传送药物的目的 (图 5)
“ Iron Oxide Platinum Nanoparticles Nanoparticles 图(5) 另一种应用是通过挤压式打印(EBB)技术打印出药片。利用3D打印可以分 层打印的特点,将不同的药物打印在不同层从而达到更高药物吸收率的效果。如 图(5)所示,第一种方式可以将几种药物均匀打印到单粒药片中,从而可以使 药物均匀散布并吸收;第二种方式可以精确控制所需要药物的外壳(即白色部分), 从而达到使药物在体内延迟释放的效果。这是一种比传统胶囊更加多层的先进的 技术 图(6)
图（5） 另一种应用是通过挤压式打印（EBB）技术打印出药片。利用 3D 打印可以分 层打印的特点，将不同的药物打印在不同层从而达到更高药物吸收率的效果。如 图（5）所示，第一种方式可以将几种药物均匀打印到单粒药片中，从而可以使 药物均匀散布并吸收；第二种方式可以精确控制所需要药物的外壳（即白色部分）， 从而达到使药物在体内延迟释放的效果。这是一种比传统胶囊更加多层的先进的 技术。 图（6）
技术优缺点 目前,3D生物打印技术主要是为了解决移植器官来源有限的问题。由于每年 器官移植的需求量非常大但移植器官来源只有器官捐赠,因此每年器官移植有很 多人排队。随着3D生物打印技术的发展极有可能解决这方面的问题,拯救更多 生命。但是目前只能做到打印结构较为简单的器官,不能打印心脏、肾脏等庞杂 的内脏器官。 3D结构的不稳定性是目前3D生物打印技术面临的巨大挑战之一,当前为了 防止整个结构在打印的时候崩坏,只能保持2.5D的维度。3D生物打印技术还 有很多挑战,例如打印分辨率( resolution),速度,生物兼容性。目前打印最 高的分辨率达到微米级,但还不足以打印毛细血管级别。目前离复制出一个完整 可用的生物器官还有很大距离。器官的血管供养是保持器官活性( viability) 的重要一环,只有器官里的每一个细胞得到足够的供养才能保证细胞的活性以及 未来可能的器官移植。 从社会角度而言,3D生物打印技术也有着较大缺点限制其发展。一是标准体 系不健全,标准体系的缺失严重制约生物3D打印技术的应用。虽然我国已提出 3D打印领域的7项国家标准,但尚未建立起涵盖设计、材料、工艺设备、产品性 能、认证检测等在内的完整的3D打印标准体系,在生物3D打印领域更是欠缺 未能架起技术和产业衔接、应用推广的桥梁,减缓了产业发展进程。二是医疗准 入制度门槛过高,虽然医疗领域的市场巨大,但准入门槛过高很大程度上制约了 生物3D打印产业发展。目前,3D打印体内植入物的审批时间过长,获得CFDA认 证至少需要3~5年时间,错失行业发展的机遇。 参考资料: 1]https://abdominalkey.com/3d-bioprinting-for-tissue-engineering/ [2] Zhu, Wei, et al. " Direct 3D bioprinting of revascularized tissue constructs with complex microarchitecture. Biomaterials 124(2017): 106-115 [3] Skardal, Aleksander, et al. " Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform "Scientific reports 7. 1 (2017):8837 [4]https:/zhuanlan.zhihu.com/p/37000835 [5 Hwang, Henry H, et al. "3D-Printing of Functional Biomedical Microdevices vi Light-and Extrusion- Based Approaches. Small Methods 2.2(2018): 1700277
技术优缺点 目前，3D 生物打印技术主要是为了解决移植器官来源有限的问题。由于每年 器官移植的需求量非常大但移植器官来源只有器官捐赠，因此每年器官移植有很 多人排队。随着 3D 生物打印技术的发展极有可能解决这方面的问题，拯救更多 生命。但是目前只能做到打印结构较为简单的器官，不能打印心脏、肾脏等庞杂 的内脏器官。 3D 结构的不稳定性是目前 3D 生物打印技术面临的巨大挑战之一，当前为了 防止整个结构在打印的时候崩坏，只能保持 2.5D 的维度。 3D 生物打印技术还 有很多挑战，例如打印分辨率（resolution) ，速度，生物兼容性。目前打印最 高的分辨率达到微米级，但还不足以打印毛细血管级别。目前离复制出一个完整 可用的生物器官还有很大距离。器官的血管供养是保持器官活性（viability） 的重要一环，只有器官里的每一个细胞得到足够的供养才能保证细胞的活性以及 未来可能的器官移植。 从社会角度而言，3D 生物打印技术也有着较大缺点限制其发展。一是标准体 系不健全，标准体系的缺失严重制约生物 3D 打印技术的应用。虽然我国已提出 3D 打印领域的 7 项国家标准，但尚未建立起涵盖设计、材料、工艺设备、产品性 能、认证检测等在内的完整的 3D 打印标准体系，在生物 3D 打印领域更是欠缺， 未能架起技术和产业衔接、应用推广的桥梁，减缓了产业发展进程。二是医疗准 入制度门槛过高，虽然医疗领域的市场巨大，但准入门槛过高很大程度上制约了 生物 3D 打印产业发展。目前，3D 打印体内植入物的审批时间过长，获得 CFDA 认 证至少需要 3～5 年时间，错失行业发展的机遇。 参考资料： [1] https://abdominalkey.com/3d-bioprinting-for-tissue-engineering/ [2] Zhu, Wei, et al. "Direct 3D bioprinting of prevascularized tissue constructs with complex microarchitecture." Biomaterials 124 (2017): 106-115. [3] Skardal, Aleksander, et al. "Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform." Scientific reports 7.1 (2017): 8837. [4] https://zhuanlan.zhihu.com/p/37000835 [5] Hwang, Henry H., et al. "3D‐Printing of Functional Biomedical Microdevices via Light‐and Extrusion‐Based Approaches." Small Methods 2.2 (2018): 1700277