3D打印起源於(yu) 20世紀80年代，近年來發展迅猛，被譽為(wei) “第三次工業(ye) 革命的重要標誌之一”。生物3D打印是3D打印的一個(ge) 分支，目前正在國內(nei) 外掀起新一輪研究熱潮。本文對生物3D打印作一個(ge) 簡要介紹。

　　一、什麽(me) 是生物3D打印

　　生物3D打印是基於(yu) “增材製造”的原理，以特製生物“打印機”為(wei) 手段，以加工活性材料包括細胞、生長因子、生物材料等為(wei) 主要內(nei) 容，以重建人體(ti) 組織和器官為(wei) 目標的跨學科跨領域的新型再生醫學工程技術。它代表了目前3D打印技術的最高水平之一。

　　二、生物3D打印技術的發展曆程

　　從(cong) 1995年出現以來，生物3D打印技術的發展經曆了四個(ge) 層次。第一層次：打印出的產(chan) 品不進入人體(ti) ，主要包括一些體(ti) 外使用的醫學模型、醫療器械，對使用的材料沒有生物相容性的要求；第二層次：使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解，產(chan) 品植入人體(ti) 後成為(wei) 永久性植入物；第三層次：使用的材料具有良好的生物相容性，而且能被降解。產(chan) 品植入人體(ti) 後，可以與(yu) 人體(ti) 組織發生相互關(guan) 係，促進組織的再生；第四層次：使用活細胞、蛋白及其他細胞外基質作為(wei) 材料，打印出具有生物活性的產(chan) 品，最終目標是製造出組織、器官。這是生物3D打印的最高層次。

　　在現階段，第一到第三層次的技術發展已比較成熟，已經進入到實際應用層麵。第一層次的應用有神經外科及脊柱外科的個(ge) 性化手術模型、假肢等。第二層次的應用有個(ge) 體(ti) 化的永久植入物，如假耳移植物、下頜骨移植物等。2014年北醫三院通過3D技術打印出的椎體(ti) 移植物，也屬於(yu) 這一類。第三層次采用可降解的生物相容性材料，製作出仿生的組織工程支架。清華大學團隊采用低溫沉積成形技術，製造出具有分級孔隙結構的骨支架，最多可以做到4級孔隙，有利於(yu) 各種細胞的生長進入，處於(yu) 世界領先水平。

　　第四層次也被稱為(wei) “細胞打印”或“器官打印”，是現代意義(yi) 的生物3D打印，相比較而言前三個(ge) 層次可以被稱為(wei) “快速成型”。細胞打印概念於(yu) 2000年由美國Clemson大學的ThomasBoland教授首先提出，並於(yu) 2003年首次成功實現。2004年該團隊獲得一項細胞打印的專(zhuan) 利，並授權給在納斯達克上市的Organovo公司，該公司是目前國際上生物3D打印領域的領頭羊。由於(yu) 筆者的博士導師就是Boland教授，筆者參與(yu) 了其中的工作，發表的論文受到廣泛的關(guan) 注。

　　三、生物3D打印的臨(lin) 床需求和科學意義(yi)

　　在美國，每1.5小時就有1例病人因為(wei) 等不到合適的器官移植而死亡，每年有超過800萬(wan) 例組織修複相關(guan) 的手術。生物3D打印技術的目標就是解決(jue) 組織、器官短缺的問題。

　　人體(ti) 是由多種細胞和基質材料按特定方式有機組合而成，具有高度的複雜性。組成人體(ti) 的細胞有超過250種以上，僅(jin) 一個(ge) 腎髒就包含有20多種細胞。軟骨組織是相對較簡單的組織，細胞種類較少且沒有血管、神經支配。1994年科學家認為(wei) 組織工程技術可以解決(jue) 器官再造的技術，當時首選的目標就是製造皮膚或軟骨組織，但是至今沒有真正的成功。而生物3D打印技術可能是解決(jue) 方法之一。

　　四、生物3D打印的實現

　　最早我們(men) 使用的是噴墨打印技術。噴墨打印機能夠快速地把細小的墨滴精確地打印到相應的位置。噴墨打印機的工作原理是：噴頭裏有加熱元件，將墨滴裏麵的水快速加熱到200℃，使水產(chan) 生氣化，將前麵的墨滴噴出去。我們(men) 將細胞混懸液灌入墨盒，成功地實現了細胞打印。

　　為(wei) 什麽(me) 200℃的高溫沒有殺死細胞？研究發現，噴墨的過程非常迅速，隻需要20微秒，熱量還來不及傳(chuan) 遞到墨滴，墨滴就已經被噴出去了。通過反複實驗，打印出的細胞可以達到95％以上存活率。

　　細胞和基質材料逐層打印，就可以達到3D打印的目的。噴墨打印機可以打出不同的顏色，因此我們(men) 也可以打出不同的細胞。比如打印一個(ge) 類似血管的結構，可以把內(nei) 皮細胞打印到管壁內(nei) 層，平滑肌細胞打印到管壁外層，這樣逐層打印，可以得到一個(ge) 和正常結構類似的產(chan) 品。

　　五、工程及醫學科學的挑戰

　　首先，由於(yu) 操作對象是活細胞，非常脆弱。打印是一個(ge) 物理和機械的過程，這就產(chan) 生了打印後細胞能不能存活、會(hui) 不會(hui) 發育、會(hui) 不會(hui) 產(chan) 生變異甚至腫瘤化的問題。其次，生物仿生對製造精度及準確性要求極高，打印機能不能達到精度要求，也是一個(ge) 挑戰。第三，組織及器官是由多材料及多細胞組成的非均質體(ti) 係，這對製造學也是一個(ge) 挑戰。

　　六、活細胞打印的部分實例

　　2003年，我們(men) 將海馬細胞裝入墨盒，在世界上首次打印出一個(ge) 細胞環。隨後我們(men) 還用活細菌打印出Clemson大學的名稱和標誌。在精確度方麵，我們(men) 可以打印單個(ge) 動物細胞微球。在美國國家自然科學基金資助下，我們(men) 研究了打印的物理機械過程對細胞的影響，發現生物打印不影響細胞的存活、生長及正常生理功能。我們(men) 還研究了細胞打印的最佳參數及條件。

　　七、生物3D打印的應用

　　生物3D打印由於(yu) 其精度高、便攜，可用於(yu) 戰場上快速進行戰傷(shang) 創麵的修複。這個(ge) 課題得到美國國防部的基金資助。我們(men) 用心肌細胞和生物材料模擬打印了動物心髒。發現打印出的細胞能夠有節奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能。我們(men) 還將羊水中提取的幹細胞進行3D打印，並加入骨係分化因子，獲得了活性的骨組織。此羊水幹細胞技術被美國時代雜誌評為(wei) 2007年世界十大醫學突破之一。我們(men) 還做了生物打印大血管、微血管的研究。

　　八、生物3D打印技術的發展方向

　　首先，3D打印應該定位於(yu) “替代性技術”，是在傳(chuan) 統塑造手段不能完成的情況下使用。而不能什麽(me) 都打，不能為(wei) 了打印而打印。其次是如何產(chan) 業(ye) 化的問題，要做出產(chan) 品而且有盈利，才能持續健康地發展下去。

　　九、生物3D打印的產(chan) 業(ye) 化

　　實驗室成功不等於(yu) 產(chan) 業(ye) 化成功。產(chan) 業(ye) 化是指從(cong) 創新成果到形成一定規模生產(chan) 的轉化過程。這是非常複雜的。

　　對醫療產(chan) 品來說，因為(wei) 是要應用於(yu) 人體(ti) 的，所以必需符合國家法規，且在安全性、有效性方麵符合臨(lin) 床要求。產(chan) 品獲得上市注冊(ce) 證是一個(ge) 重要標誌，隻有獲得上市注冊(ce) 證才能進入醫療市場。目前主流的是美國FDA、歐盟CE、中國CFDA這三個(ge) 注冊(ce) 證。一個(ge) 不含細胞的用於(yu) 組織修複的3D打印產(chan) 品從(cong) 研發到上市，大致需要5到6年時間。而含活細胞的3D打印產(chan) 品，由於(yu) 各方麵的原因，尚不能估計上市時間。雖然時間很長，也不能停止在這方麵的創新和研究。

　　目前已經上市的生物3D打印產(chan) 品有：具有骨小梁結構的髖臼杯、全鈦椎體(ti) 融合器、3D打印顱骨產(chan) 品、3D打印麵骨產(chan) 品等。目前上市的產(chan) 品均為(wei) 不可降解產(chan) 品（第二層次），尚無可降解產(chan) 品（第三層次）。3D打印腦膜組織修複支架－睿膜，是全球首個(ge) 3D打印的軟組織產(chan) 品。其微觀結構最接近自體(ti) 腦膜，臨(lin) 床效果好於(yu) 已往的人工腦膜產(chan) 品。

　　十、生物3D打印技術發展路線圖

　　生物3D打印技術的發展路線是從(cong) 納米、微米、厘米到分米級別。納米級別即生物分子的打印包括蛋白、DNA等的打印都已經實現了。微米級別指細胞的打印，也已經實現了。厘米級別指神經、血管、組織等，尚未實現，還處於(yu) 研發階段。分米級別指心、肝、腎等器官，將是我們(men) 最終的目標。

　　通過整個(ge) 行業(ye) 的努力，以及與(yu) 臨(lin) 床醫生、生物學家等多專(zhuan) 業(ye) 專(zhuan) 家的合作，相信通過3D打印這種先進的製造手段，一定能夠實現人類的科學夢。