生物3D列印及其在器官製造中的應用
原文標題：3D bioprinting for engineering complex tissues
雜誌：Biotechnology advances
作者：Mandrycky, Christian; Wang, Zongjie; Kim, Keekyoung; Kim, Deok-Ho
發表年份：2016
生物3D列印技術到底發展到怎樣的水平了？都有哪些應用？前景如何？又有哪些關鍵科學問題技術問題亟待解決呢？今天借著一篇綜述文章來總結一下。
首先，簡單科普一下，啥叫「生物3D列印」？
最簡單的理解，就是在3D列印過程中，使用的是生物材料（有時候還含有細胞），列印出來的是具有活性的人造組織、可植入物或者就是用於研究的細胞三維結構。
如果含有細胞的話，一般先進行細胞培養讓它能夠增殖（proliferation）成好多細胞，然後跟生物材料一同用3D列印技術列印成含細胞的三維結構，可以用於移植（transplantation）、藥物篩選、體外科學研究等。
那麼，目前生物3D列印一般都採用哪些技術呢？
大致分四類：
噴墨列印（Inkjet printing）
科學家們最早的想法，就是把商用的二維印表機進行改裝，利用噴射的方式將含細胞的生物墨水堆積成三維結構，噴墨的液滴很微小，甚至已經達到比細胞本身還小的程度，因此精度上比較高。
這種方法取得了許多成功，當然也存在一些問題，比如基於MEMS工藝的噴墨列印頭不善於列印粘度超過15cP的墨水，而且墨水中的細胞密度也不能太高，比如10的6次方每毫升個就比較難於列印了，尤其是細胞在低粘度墨水中有「沉積效應」導致微小的噴嘴堵塞真是很令人頭疼。
激光輔助生物列印（Laser-assisted printing）
這種方法的主要原理，就是存在一個能夠響應激光激發的「供體層」（donor layer），而這一層下面就粘著一層生物墨水和細胞，當有激光向一點投射時，供體層會產生一個微小的氣泡，將這個位置的墨水衝擊下來形成一個液滴。
這種方法可以列印較大粘度的材料，並且對細胞而言沒有產生什麼應力，精度也很高，是一種很理想的列印方式，目前沒有得到廣泛應用可能主要是因為價格實在太昂貴了吧，但其實這是一種很有前景的列印技術。
擠出式3D列印（Extrusion printing）
這種技術適用於各種粘度的生物材料列印，細胞密度也可以很高，列印速度也能夠比較快，控制起來也比較容易，當然也有成本較低的原因，這是目前最常用的生物3D列印技術了。
目前業內對於該技術的核心研究問題，是如何使用能夠獲得更高的列印精度，以及如何能高效地列印多種材料與細胞。
立體平板印刷（Stereolithography）
採用選擇區域進行光固化的原理，精度高，速度快，細胞成活率高，最近還出現一種基於這種技術的新技術——連續液體界面製造（continuous
liquid interface production，CLIP），這種技術列印速度更快精度更高，目前暫時還沒有應用到生物3D列印領域。
這種技術的限制，一是材料種類，必須是特定的幾種種類；二是材料數量，目前還沒有多材料列印的解決方案
對於生物3D列印來說，使用什麼樣的生物材料和細胞，是重中之重，下面就分生物墨水和細胞兩個方面進行解析吧。
A生物墨水（Bioink）
對於生物墨水材料的要求是很高的，比如：
可列印性（Printability）、可交聯性（Printability crosslinkability）、生物相容性（Biocompatibility）、降解與副產品可控性（controllability ofby-products and degradation）。
有研究表明，生物墨水的表面張力（surface tension）很重要，它一方面影響著材料的可列印性，另一方面影響著細胞對於材料的粘附性。
生物墨水，必須為細胞提供一個良好的粘附、增殖、分化（attachment, proliferation and differentiation）的微環境，並且具有優良的機械性能，如應變、剪切應力、壓縮模量、和溶脹比（strain, shear stress, compressive modulus and mass swelling ratio）等等。
科學家們希望能夠對於生物墨水的降解速率進行控制，是因為希望植入物的降解速率能夠恰好與ECM的生長速率相一致的要求。
具體到材料而言，一般認為的生物墨水，就是指水凝膠預聚物溶液（hydrogel pre-polymer solution），大概分為兩類：天然高分子（natural polymers）和合成高分子（synthetic polymers），其中天然高分子比如說明膠、膠原、層連蛋白、纖連蛋白、海藻酸鹽、殼聚糖、絲素蛋白（gelatin, collagen, laminin, fibronectin, alginate, chitosan, silk fibroin）等等。
脫細胞外基質（decellularized extracellular matrices，dECMs）是近年來的一個倍受關注的生物3D列印材料，因為它畢竟是最接近細胞微環境的材料了，而且近年來的相關製備技術也有重大進展，只不過目前來說，基於dECMs的生物墨水的機械性能問題尚未得到解決。
B 細胞
人造組織有兩種列印細胞的思路：
一是直接列印功能性原代細胞並加支持細胞。這種方法使用的細胞種類就多一些，因此對應的生物墨水也多，對列印產生了難度。
二是列印祖細胞或幹細胞再對其進行進一步的分化處理。這種方法使用的細胞少，墨水種類也就少，但是需要不同的生長因子以及一些小分子量的信號物質。
目前來說，最有前景的細胞來源，就是擁有強大增殖和分化能力的幹細胞了。
那麼，目前在列印各種複雜組織方面，有什麼進展呢？
血管（Vessels）
目前來說，較大口徑血管的列印還是較常見於報道，而毛細血管的列印十分地困難，目前可以說尚沒有很好的解決方案。
對於血管列印，目前比較流行的方法是採用「犧牲材料」，列印結束時採用一些方法把犧牲材料去除，剩下的就是血管網路。
骨、軟骨（Bone and cartilage）
骨軟骨的數字模型通常可以來源於CT掃描，一般常見的是骨支架的列印，即不列印細胞部分，這時通常採用的材料如PCL/TCP/PEG/PLGA等這一類熔融高分子材料，使用時或單獨使用或將其混合使用。
神經組織（Neuronal tissues）
脊髓及外周神經受損方面的臨床問題，促使生物3D列印神經組織成為研究熱點，但神經組織的精細和複雜程度使得目前的進展比較緩慢。
藥物篩選（drug screening）
3D列印有一個重要特點，就是液體分配的一致性，這個性質除了用於製造人工器官以外，還有許多應用，比如做基於器官晶元的藥物篩選系統等。
那麼，目前來說，生物3D列印技術的研究難點有哪些呢？
難以列印複雜形狀及結構組織，尤其是複雜管網結構。有學者提出讓組織自己生長出血管網路並有一定的突破，然而血管網路的生長需要較長的時間，沒有得到營養的區域組織壞死問題難以解決。
列印時間長，是生物列印技術的一個亟待突破的技術瓶頸，包括準備時間在內的列印時間很長，會帶來一系列的問題。
好的生物墨水材料比較缺乏，材料的力學性能與細胞相容性在通常的材料上是十分矛盾的一對性質。
多材料或生長因子濃度梯度的列印，也仍然是一個技術難點。
生物3D列印技術，前景如何呢？
目前來看，生物3D列印技術，仍然是最有希望為臨床的器官稀缺問題提供解決方案的前沿科技，也可以在藥物篩選、器官晶元、體外試驗、生物感測器、幹細胞的蛋白及DNA序列研究方面大放異彩。
該技術領域目前成為全球的一個重要研究熱點，在未來幾年將在列印速度、生物墨水性質、細胞準備時間、血管網路列印技術、帶神經分布的組織列印技術、支架性能可控技術等方面有重大突破，到那時，生物3D列印技術將把人類的健康水平帶向一個新的高度。
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