3D列印技術在生物工程領域的5種應用

醫療行業應用3D列印技術的歷史始於上世紀80年代的醫療模型製造，隨著3D列印技術和醫用3D列印材料技術的發展，現階段3D列印技術已被應用義齒加工和骨科植入物的直接製造領域。下一階段，3D列印技術的應用是與生命科學、生物工程技術相結合，製造具有生物活性的組織和器官。

3D科學谷在Trends in Biotechnology期刊中的幾篇綜述文章或見解性論文中整理出3D列印技術在生物工程領域的五種應用，本期就與谷友們進行分享。

為器官再生打下基礎

器官生物晶元定製

器官生物晶元是指在微流控生物晶元上製造出微觀的人體組織，它們的作用是模仿人體組織的功能。器官生物晶元在進行生物學研究和藥物篩選實驗時往往比二維的細胞培養方式更加有效。

圖片來源：Trends in Biotechnology

美國康涅狄格大學等機構的科學家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通過3D列印技術進行器官生物晶元的一步製造）一文中描述到，傳統的微流控晶元製造技術是勞動密集型的產業，不利於實驗室進行晶元設計的快速迭代和快速製造。將3D列印技術用於製造微流控生物晶元則可以在幾個小時內實現微型流體通道的快速製造，有利於設計的快速迭代，提高了基於微流控研究的跨學科性，並加速創新。

未來，先進的生物3D印表機不僅可以列印微流控平台，還可以同時在微流控平台中直接列印出定製化的微觀人體組織。

皮膚製造

生物3D列印的皮膚有望用於治療燒傷或者是有慢性創口的患者。 新加坡南洋理工大學以及新加坡科技研究局的科研人員在Skin Bioprinting: Impending Reality or Fantasy? 一文中寫到，一項研究發現，通過水凝膠和細胞3D列印的人工皮膚，在經過10天的培養之後已產生細胞間的連接以及正常的細胞生物標記。在另一項研究中，研究人員已能夠在一層皮膚細胞中培養出血管。生物3D列印技術已可以製造出具有完整功能的人造皮膚，該技術在一些關鍵的皮膚組織工程學方面的潛力已體現出來，包括構建色素和皮膚老化模型、製造血管網路和毛囊。

圖片來源：Trends in Biotechnology

阿姆斯特丹自由大學醫學中心等專家在 Advances in Bioprinting Technologies for Craniofacial Reconstruction 一文中寫到，儘管生物列印皮膚技術的臨床應用仍處在非常早期的階段，但一些有價值的臨床前動物實驗正在進行。例如，維克森林大學通過inkjet 噴墨生物3D列印技術製造皮膚，在使用該皮膚對小鼠缺損的皮膚進行原位修復時取得了良好的細胞存活和皮膚修復結果。

面部重建

人體的顱面部區域由幾種複雜的組織構成，包括：骨、軟骨、肌肉、韌帶和皮膚，以及血管和神經等。如果組織出現創傷或者具有先天性缺陷則會影響到人的容貌。在過去的幾十年中，這種顱面部缺損的重建技術一直在發展，例如，從截取人體其他部位的骨骼進行下頜骨修復，發展到使用3D列印的鈦合金定製化植入物進行下頜骨重建。儘管使用現有的技術已實現了面部重建的治療目的，但由於植入物的使用壽命以及可能發生的感染等因素，顱面部修復技術並沒有停止發展的腳步，而生物3D列印技術和組織工程學正是發展方向之一。

阿姆斯特丹自由大學醫學中心等專家在 Advances in Bioprinting Technologies for Craniofacial Reconstruction 一文中指出，通過微擠壓成形3D列印技術可以根據患者面部缺損的解剖結構列印出定製化的支架，例如眼眶骨缺損修復支架。在支架植入面部之前，人體細胞被 「種」到支架上，在生長因子或機械刺激下形成細胞外基質。細胞外基質為細胞的生存及活動提供適宜的場所，並通過信號轉導系統影響細胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。微擠壓成形3D列印技術將與幹細胞技術相結合製造出可植入人體的組織工程支架,從而進行顱面部缺損組織的再生修復，包括修復對面部形狀起到支撐作用的骨和軟骨。

插入式血管

麻省理工學院及哈佛大學的生物專家綜述文章Vascularization and Angiogenesis in Tissue Engineering: Beyond Creating Static Networks 中描述到，在人造組織內生成血管對於移植後確保組織存活及維持器官功能是必要的。然而，製造帶血管網路的組織和器官，並在植入後可直接與人體動脈或靜脈相連接是一大挑戰。

3D科學谷了解到，2016年哈佛大學在此領域獲得突破，可以列印出帶血管的組織，該組織可維持生物學功能，並可以存活超過六個星期。哈佛大學的研究人員在整個列印過程中使用了三種生物墨水。其中第一種墨水含有細胞外基質，這是一種由水、蛋白質和碳水化合物構成的複雜混合物，用於連接每個細胞，從而形成一個組織。第二種墨水包含細胞外基質和幹細胞。第三種用於列印血管，這種墨水在冷卻過程中融化，所以研究人員可以從冷卻的物質中將墨水抽出來，並保留空心管 。

研究人員將包含細胞外基質的墨水填充進模具。最終培養出內部充滿毛細血管的人工組織。研究人員通過硅膠模具兩端的出入口向該組織輸入營養物質，以保證細胞存活。人工血管將通過將細胞生長因子運送至整個人工組織，促進幹細胞的定向分化，從而形成更厚的組織。

在製藥中的應用

藥物篩選

我們在前面提到了生物3D列印技術將可以用於器官生物晶元的定製化製造。定製化器官晶元的其中一個重要作用就是用於藥物篩選。

圖片來源：Trends in Biotechnology

新葯的研發成功率是非常低的，據FDA 統計94%的新葯研發會在進入到臨床實驗階段時失敗。出現在這種結果的部分原因是臨床前的實驗篩選不充分，相比二維的人工培養組織，三維組織可以更有效的模擬人體組織結構、功能和人體組織對藥物的反應。通過三維組織進行藥物篩選，能夠得到更準確的結果。生物3D列印技術在製造複雜3D人體組織結構方面具有潛力。微流控系統可以為3D 組織提供營養、氧氣和生長因子。Bhise等人研發的肝臟晶元，是通過在微流控晶元上進行生物列印製造的，這個肝臟組織模型可用於藥物篩選。

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