3D生物打印技术一一让器官涅架重生 16300680178雷然冉 技术原理 3D打印技术属于“增材制造技术”“快速成型技术”“实体自由制造”范 畴,目前主流技术种类繁多,包括有:立体光刻法(SLA)、熔融沉积技术(FDM)、 选择性激光烧结(SLS)、三维打印成型(3DP)、电子束自由成形制(EBF)、直接金 属激光烧结DMLS)、电子束熔化成型(EBM)、选择性激光熔化成型(SLM)、选择 性热烧结(SHS)等。根据不同打印技术的原理和方法,每种3打印机的打印适材 有所区别。 FDM head IPCL filament Computer-controlled OO) Movable platform Resin reservoir oated glass plat LCD graymask I-ya\e> Digital mirror device(DMD) PCL extrudate Mommseaffold Platform Fig. 1 Schematic illustrations of typieal 3D printing technologies: al stereolithography Reprinted from Ref. [4 ]: Copyright (2010), with permission from Elsevier) and b) fused deposition modeling( Reprinted from Ref. [5 ]: Copyright( 2002),with 图13D生物打印机及其内部结构 3D生物打印的基本原理是以生物材料(如各种水凝胶)或活细胞作为“生物 墨水”,首先利用计算机辅助设计(CAD)进行三维模型构建,打印机按照计算机 输出的图层文件进行层层叠加后打印出完整三维结构的产品,再经后期体外培 养处理,最终形成具有生理功能的组织或器官。3D生物打印技术的最终目标是 贺超良,汤朝晖,田华雨,陈学思3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展[高分子学报, 2013,(06):722-732[2017-09-23]
3D 生物打印技术——让器官涅槃重生 16300680178 雷然冉 一、 技术原理 3D打印技术属于“增材制造技术”“快速成型技术”“实体自由制造”范 畴，目前主流技术种类繁多，包括有:立体光刻法(SLA)、熔融沉积技术(FDM)、 选择性激光烧结(SLS)、三维打印成型(3DP)、电子束自由成形制(EBF)、直接金 属激光烧结(DMLS)、电子束熔化成型(EBM)、选择性激光熔化成型(SLM)、选择 性热烧结(SHS)等。根据不同打印技术的原理和方法，每种3D打印机的打印适材 有所区别。 图 13D 生物打印机及其内部结构1 3D生物打印的基本原理是以生物材料(如各种水凝胶)或活细胞作为“生物 墨水”，首先利用计算机辅助设计(CAD)进行三维模型构建，打印机按照计算机 输出的图层文件进行层层叠加后打印出完整三维结构的产品，再经后期体外培 养处理，最终形成具有生理功能的组织或器官。3D生物打印技术的最终目标是 1贺超良，汤朝晖，田华雨，陈学思.3D 打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展[J].高分子学报， 2013，(06):722-732.[2017-09-23]
实现打印出的组织和器官血管化,以构建出具备完整生物学功能的组织和器 官,来精确修复或替代人体病变或衰老的组织和器官。2 A B C 图23D打印步骤 水凝胶是由高聚物的三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系,作为 新型的生物医用材料引起了研究者们的广泛关注。医用水凝胶具有良好的生物 相容性,其性质组成与细胞外基质相类似,表面粘附蛋白质和细胞的能力弱, 基本不影响细胞的正常代谢过程。水凝胶的存在可以进行细胞的保护、细胞间 的黏合扩展及器官的构型。因此,水凝胶成为包裹细胞的首选。医用水凝胶、 生物交联剂(法)、活细胞共同组成生物3D打印所需的“生物墨水”。3 二、技术应用 2.1人造骨骼 廖俊琳,王少华,陈佳,谢红炬,周建大3D生物打印在组织工程软骨再生与重建应用中的研究进展[中 南大学学报(医学版),2017,42(02)221-2252017-09-22 罗文峰,杨雪香,敖宁建生物医用材料的3D打印技术与发展[]材料导报,2016.3013):81-86,201
实现打印出的组织和器官血管化，以构建出具备完整生物学功能的组织和器 官，来精确修复或替代人体病变或衰老的组织和器官。2 图 23D 打印步骤 水凝胶是由高聚物的三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系，作为 新型的生物医用材料引起了研究者们的广泛关注。医用水凝胶具有良好的生物 相容性，其性质组成与细胞外基质相类似，表面粘附蛋白质和细胞的能力弱， 基本不影响细胞的正常代谢过程。水凝胶的存在可以进行细胞的保护、细胞间 的黏合扩展及器官的构型。因此，水凝胶成为包裹细胞的首选。医用水凝胶、 生物交联剂(法)、活细胞共同组成生物3D打印所需的“生物墨水”。 3 二、技术应用 2.1人造骨骼 2廖俊琳，王少华，陈佳，谢红炬，周建大.3D 生物打印在组织工程软骨再生与重建应用中的研究进展[J].中 南大学学报(医学版)，2017，42(02):221-225.[2017-09-22] 3罗文峰，杨雪香，敖宁建.生物医用材料的 3D 打印技术与发展[J].材料导报，2016，30(13):81-86.[2017- 09-23]
由于人体骨骼形态不规则,个体形态差异较大,因此,个性化定制人工骨 骼在临床应用中有广泛的需求。南方医科大学黄华军等,3D打印出骨折复位模 型以及钢板模型,在3D模型上按照数字化设计内固定方案进行模拟手术,结果 显示3D打印技术结合数字化设计能有效的提高复杂胫骨平台骨折内固定植入效 果 图33D打印骨骼 2.2人造血管 德国的 Gunter Tovar博士利用3D打印双光子聚合和生物功能化修饰制作出毛 细血管,具有良好的弹性与人体相容性,不但可以用于替换坏死的血管还能与
由于人体骨骼形态不规则，个体形态差异较大，因此，个性化定制人工骨 骼在临床应用中有广泛的需求。南方医科大学黄华军等，3D 打印出骨折复位模 型以及钢板模型，在 3D 模型上按照数字化设计内固定方案进行模拟手术，结果 显示 3D 打印技术结合数字化设计能有效的提高复杂胫骨平台骨折内固定植入效 果。 图 33D 打印骨骼 2.2人造血管 德国的 Gunter Tovar 博士利用3D打印双光子聚合和生物功能化修饰制作出毛 细血管，具有良好的弹性与人体相容性，不但可以用于替换坏死的血管还能与
人造器官结合,还可能使构造的组织与器官实现再生血管。 图43D打印人造毛细血管 图53D打印人造心脏血管 2.3人造器官 来自杭州电子科技大学徐铭恩团队自主研发出一台生物材料3D打印机,目 前已在这台打印机上成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝单元等。20l 年美国 Wake Forest University的 Anthony Atala在TED大会上展示了3D打
人造器官结合，还可能使构造的组织与器官实现再生血管。 图 43D 打印人造毛细血管 图 5 3D 打印人造心脏血管 2.3人造器官 来自杭州电子科技大学徐铭恩团队自主研发出一台生物材料 3D 打印机，目 前已在这台打印机上成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝单元等。2011 年美国 Wake Forest University 的 Anthony Atala 在 TED 大会上展示了 3D 打
印肾脏的技术,至此,3D打印人造器官技术取得了长足的发展。 图63D打印肾脏 2.4皮肤修复 研究者探索将不同细胞外基质应用于皮肤3D打印技术中,最大限度提升皮 肤的活性及其他天然属性,从而有效促地进移植后受损皮肤的修复及打印皮肤与 正常皮肤创缘的融合
印肾脏的技术，至此，3D 打印人造器官技术取得了长足的发展。 图 6 3D 打印肾脏 2.4 皮肤修复 研究者探索将不同细胞外基质应用于皮肤 3D 打印技术中，最大限度提升皮 肤的活性及其他天然属性，从而有效促地进移植后受损皮肤的修复及打印皮肤与 正常皮肤创缘的融合
0)A 图73D打印皮肤 、技术优势 Ⅰ、高精度:即分辨率髙。该技术可以精确控制墨水喷射位置和墨水的量,有利于 生物显微结构的建立,有利于局部痕量供给生物活性因子及药物,从而有利于控 制组织的局部生长发育。 2、可以同时打印种子细胞和支架材料,更利于整体三维结构的构建。其可以使 用多颜色墨盒的原理,从而实现同时打印组织\器官内的不同组分,使用不同的 细胞、细胞外基质和生物活性因子,并且使用精确的配比 3、构建速度快:能够快速的制造生物组织\器官,保证了生物材料的存活率,从 而显著有利于再生医药、器官移植等未来医学领域。 4、可以按需制造出符合个体需求的单个器官或组织,真正实现医学的个性化需 求 5、3D生物打印使用的种子细胞是来自患者自己身体的细胞,所以可以从根本上 解决其他组织工程易发生的排异反应。 四、技术缺点
图 7 3D 打印皮肤 三、技术优势 1、高精度:即分辨率高。该技术可以精确控制墨水喷射位置和墨水的量，有利于 生物显微结构的建立，有利于局部痕量供给生物活性因子及药物，从而有利于控 制组织的局部生长发育。 2、可以同时打印种子细胞和支架材料，更利于整体三维结构的构建。其可以使 用多颜色墨盒的原理，从而实现同时打印组织\器官内的不同组分，使用不同的 细胞、细胞外基质和生物活性因子，并且使用精确的配比。 3、构建速度快:能够快速的制造生物组织\器官，保证了生物材料的存活率，从 而显著有利于再生医药、器官移植等未来医学领域。 4、可以按需制造出符合个体需求的单个器官或组织，真正实现医学的个性化需 求。 5、3D 生物打印使用的种子细胞是来自患者自己身体的细胞，所以可以从根本上 解决其他组织工程易发生的排异反应。 四、技术缺点
3D打印技术尚处于起步阶段,还有很多问题需要解决。 1、力学方面 喷射过程中的剪切力和液滴的冲击力会对打印细胞液活性造成冲击。因此,“生 物墨水”的配制必须符合流体力学的要求,包括黏滞性、密度、表面张力等重要 参数。这些因素均可造成细胞的损失影响细胞的存活,从而不利于体外的培养。 同时打印前,打印过程中均要求所打印的细胞或分子保持液态,而打印后又要求 其必须立即凝固,以维持黏弹性状态。这种液态到固态的变化必须保证不引起细 胞、生物活性因子以及其他微粒的损伤,这也对3D打印的发展提出了相当大的 挑战。 2、生物支架材料: 生物支架材料要解决的问题有∶支架材料的可降解性及降解速率;材料的机械力 学强度;支架的最适孔径和孔隙率。适度的生物降解速率,指该降解速率需和组 织再生的速率相匹配,最后可完全吸收或可安全排出。合适的孔尺寸、高的孔隙 率(90%)和相连的孔形态,对于大量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基 质的形成、氧气和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内生长起着决定 作用。虽然,支架的最适孔径尚无定论,但学者还是公认,几十到几百微米的孔 径对于细胞的迁移和长入支架内部通常认为是必需的。支架孔径过小,不利于细 胞的穿透,培养的细胞经过很长的时间,仍然依附于支架表面,未能穿透到支架 内部。支架孔径过大,不利于细胞的黏附和铺展,同样会妨碍细胞生长。 3、生物学方面 3D打印过程中必须优先考虑的问题就是如何保持细胞的活力以及产品的塑形。 3D打印必须处理好的几个生物学问题包括: A.所选择的打印方法对细胞和DNA既无毒性,也不会引起不可逆的损伤,在整个 打印过程中都要求是无菌化的 B.打印的构建物可以快速成型,成为有凝聚性的、具有机械稳定性的三维结构, 不能在打印后出现溶解或坍塌。 C.打印的构建物可以进行体外培养、增殖、分化、发育等后处理过程,要求构建 模型是具有组织或者器官三维特征的,能够模拟组织或者器官特异性的微结构和 微环境
3D 打印技术尚处于起步阶段，还有很多问题需要解决。 1、力学方面: 喷射过程中的剪切力和液滴的冲击力会对打印细胞液活性造成冲击。因此，“生 物墨水”的配制必须符合流体力学的要求，包括黏滞性、密度、表面张力等重要 参数。这些因素均可造成细胞的损失影响细胞的存活，从而不利于体外的培养。 同时打印前，打印过程中均要求所打印的细胞或分子保持液态，而打印后又要求 其必须立即凝固，以维持黏弹性状态。这种液态到固态的变化必须保证不引起细 胞、生物活性因子以及其他微粒的损伤，这也对 3D 打印的发展提出了相当大的 挑战。 2、生物支架材料: 生物支架材料要解决的问题有:支架材料的可降解性及降解速率;材料的机械力 学强度;支架的最适孔径和孔隙率。适度的生物降解速率，指该降解速率需和组 织再生的速率相匹配，最后可完全吸收或可安全排出。合适的孔尺寸、高的孔隙 率(90%)和相连的孔形态，对于大量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基 质的形成、氧气和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内生长起着决定 作用。虽然，支架的最适孔径尚无定论，但学者还是公认，几十到几百微米的孔 径对于细胞的迁移和长入支架内部通常认为是必需的。支架孔径过小，不利于细 胞的穿透，培养的细胞经过很长的时间，仍然依附于支架表面，未能穿透到支架 内部。支架孔径过大，不利于细胞的黏附和铺展，同样会妨碍细胞生长。 3、生物学方面: 3D 打印过程中必须优先考虑的问题就是如何保持细胞的活力以及产品的塑形。 3D 打印必须处理好的几个生物学问题包括: A.所选择的打印方法对细胞和 DNA 既无毒性，也不会引起不可逆的损伤，在整个 打印过程中都要求是无菌化的。 B.打印的构建物可以快速成型，成为有凝聚性的、具有机械稳定性的三维结构， 不能在打印后出现溶解或坍塌。 C.打印的构建物可以进行体外培养、增殖、分化、发育等后处理过程，要求构建 模型是具有组织或者器官三维特征的，能够模拟组织或者器官特异性的微结构和 微环境
D构建的组织或者器官的再血管化问题也非常关键,它是构建组织或者器官成活 的关键,血管可以及时为种子细胞提供其成活所必需的营养,并且可以排泄代谢 废物。 4、伦理方面: 如果将来打印出生物活体组织和器官,势必会遇到极大的道德挑战,也由于3D 生物打印的定制人体植入体为新型产品,这类医疗器械应用于临床的相关法规尚 不完善,大多数属于临床前的研发和实验阶段,真正全面进入临床应用仍有一定 的距离。 参考文献: [1]廖俊琳,王少华,陈佳,谢红炬,周建大.3D生物打印在组织工程软骨再生与重 建应用中的研究进展[J].中南大学学报(医学版),2017,42(02):221-225.[2017 09-25] [2]罗文峰,杨雪香,敖宁建.生物医用材料的3D打印技术与发展[J].材料导 报,2016,30(13):81-86.[2017-09-25] [3]贺超良,汤朝晖,田华雨,陈学思.3D打印技术制备生物医用髙分子材料的研 究进展[J].高分子学报,2013,(06):722-732.[2017-09-25] [4]石静,钟玉敏.组织工程中3D生物打印技术的应用[J].中国组织工程研 究,2014,18(02):271-276.[2017-09-25] 石静钟玉敏组织工程中3D生物打印技术的应用[中国组织工程研究20141802)271-276.[2017-09
D.构建的组织或者器官的再血管化问题也非常关键，它是构建组织或者器官成活 的关键，血管可以及时为种子细胞提供其成活所必需的营养，并且可以排泄代谢 废物。4 4、伦理方面： 如果将来打印出生物活体组织和器官，势必会遇到极大的道德挑战，也由于 3D 生物打印的定制人体植入体为新型产品，这类医疗器械应用于临床的相关法规尚 不完善，大多数属于临床前的研发和实验阶段，真正全面进入临床应用仍有一定 的距离。 参考文献： [1]廖俊琳,王少华,陈佳,谢红炬,周建大.3D 生物打印在组织工程软骨再生与重 建应用中的研究进展[J].中南大学学报(医学版),2017,42(02):221-225.[2017- 09-25]. [2]罗文峰,杨雪香,敖宁建.生物医用材料的 3D 打印技术与发展[J].材料导 报,2016,30(13):81-86.[2017-09-25]. [3]贺超良,汤朝晖,田华雨,陈学思.3D 打印技术制备生物医用高分子材料的研 究进展[J].高分子学报,2013,(06):722-732.[2017-09-25]. [4] 石静,钟玉敏. 组织工程中 3D 生物打印技术的应用[J]. 中国组织工程研 究,2014,18(02):271-276. [2017-09-25]. 4石静,钟玉敏. 组织工程中 3D 生物打印技术的应用[J]. 中国组织工程研究,2014,18(02):271-276. [2017-09- 25]