过了这么多年，3D生物打印到底应用到哪去了？

近年来，三维(3D)生物打印在生产组织支架的所有其他方法中占据了突出的地位，以弥合人工工程组织构建体和天然组织之间的差异。3D打印全球市场在2014年估计接近4.87亿美元，预计到2020年将达到18.2亿美元。

使用3D生物打印技术、生物墨水以预先设计的方式打印并与活细胞结合，作为具有功能的动态结构，能支架内再生目标组织。此外，它是一种快速且廉价制备精确支架的方法，并提供对细胞和生物材料组成的精确控制，与空间分布和建筑精度相关。此外，它能够将高密度细胞精确放置在所需位置和多种类型的细胞以有序的方式模拟天然组织的异质结构。

组织工程(TE)是一个跨学科领域，包括应用生命科学和材料工程的原理来恢复、维持和增强组织功能。从机体获取少量的活体组织，用特殊的酶或其他方法将种子细胞从组织中分离出来在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料按一定的比例混合，使细胞黏附在生物材料上形成细胞-材料复合物；

将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。生物材料支架所形成的三维结构不但为细胞获取营养、生长和代谢提供了一个良好的环境。以下将讨论3D打印生物支架应用于哪些方面：

1. 皮肤

图1. 皮肤示意图

皮肤是抵御病原体、刺激物和抗氧化剂、物理和紫外线损伤以及任何外部有害物质的保护屏障。因与外部环境直接接触使其极易受到不同种类的伤害。虽然伤口大小、范围和深度各不相同，研究人员一直致力于开发多种类型的伤口敷料或基于天然产品的皮肤替代品。

尽管迄今为止取得了所有进步，但使用自体移植物、同种异体移植物和伤口敷料的一些限制导致了组织工程皮肤替代品的开发。3D生物打印在改善皮肤缺陷的治疗方面具有很大的希望，被利用来促进多种类型的皮肤细胞和生物材料的同时和高度特异性，这是传统皮肤组织工程方法所缺乏的。

2. 骨

骨组织作为动态结构是肌肉骨骼系统的主要组成部分，其ECM的高矿化使其在刚性和硬度上不同于其他结缔组织。骨组织修复是一个全球性的临床问题，会导致创伤患者的高发病率，并带来巨大的社会经济问题。骨修复的金标准通常仍然是从口腔内或口腔外部位采集的自体骨移植物；

然而，这具有移植物数量低、供体部位发病率和感染率低的限制。因此，骨组织工程(BTE)作为骨移植的替代方案正在蓬勃发展，其中使用3D打印制造移植替代物来替换或修复受损的骨缺损。

图2. 3D生物打印用于骨修复

3. 软骨

软骨组织是一种无血管和无神经结构，包括几乎低密度的软骨细胞和丰富的水比例 (70 %)。它是一种功能性且非常水合的异质组织，用于为单关节提供低摩擦、耐磨和承重的表面，以实现有效的关节运动。

外伤、意外或其他感染可能导致软骨丢失，这是由于软骨细胞缺乏血管、软骨细胞增殖率低、功能和结构复杂而无法自我修复。尽管存在各种治疗软骨损伤的方法，包括自体软骨细胞移植、骨膜移植、镶嵌成形术和微骨折，但临床研究未能证明正常软骨移植的可靠生成和长期解决方案。在TE中引入3D生物打印在模拟关节软骨组织的解剖结构方面取得了显着进展，在各种分配技术中，挤出式3D打印是最流行和最经济的方法。

4. 血管化

图3.血管示意图

血管化在控制心脏、肝脏、胰腺、肾脏和骨骼等组织的再生方面起着关键作用。需要为细胞提供氧气和营养，并通过网络从组织中去除废物。尽管传统生物制造方法取得了重大进展，但3D类血管网络的开发仍然是TE领域的一大挑战。为了解决这个问题，3D生物打印已被引入作为在工程组织替代品中制造高度组织的血管结构的有前途的方法。

5. 神经

图4. 3D生物打印用于神经修复

急性创伤性损伤和神经系统疾病等神经缺陷/损伤的再生是全球最具挑战性的临床问题之一。模拟天然ECM的神经3D模型的开发已成为重建有缺陷的神经组织的有前途的策略之一。通常，神经模型应具有特定要求，包括：允许神经细胞附着和增殖的神经相容性、模拟天然神经组织ECM的机械/物理化学特征的弹性特性/分层微结构，以及引起导电的能力。

外伤、意外或其他感染可能导致软骨丢失，这是由于软骨细胞缺乏血管、软骨细胞增殖率低、功能和结构复杂而无法自我修复。尽管存在各种治疗软骨损伤的方法，包括自体软骨细胞移植、骨膜移植、镶嵌成形术和微骨折，但临床研究未能证明正常软骨移植的可靠生成和长期解决方案。在TE中引入3D生物打印在模拟关节软骨组织的解剖结构方面取得了显着进展，在各种分配技术中，挤出式3D打印是最流行和最经济的方法。

6. 肌肉

图5.肌肉的分类

人体重量大约一半是肌肉。按结构和功能的不同可分为平滑肌、心肌和骨骼肌三种  3D生物打印在这些领域应用较广。在骨骼肌中3D生物打印通过采用天然或合成支架和微型技术，模仿天然肌肉组织中极度堆积和排列的细胞结构，对于成功的骨骼肌至关重要。

在心肌修复方面，由原代心肌细胞(CMs)组成的功能性心肌的生物工程是一种很有前途的心肌再生方法，但其应用仍然受到限制。通过生物打印技术进行生物工程心脏组织作为创建功能性组织结构的可行选择，由于其复杂的构建能力而变得越来越重要。在平滑肌方面，异常平滑肌收缩在多种疾病的病理学中起着重要作用。

尽管付出了巨大的努力，但应用常规2D体外方法和动物模型的研究未能找到治愈上述异常收缩障碍的方法，这导致了体外3D打印技术的发展。

总结

随着组织工程的进步，针对新的生物学和医学挑战的创新工具正在变得可用。生物3D打印有可能创造出满足再生和移植医学需求的组织结构 。此外，生物3D打印技术能够精确制造用于再生和发育生物学的三维异质功能单元。因此，随着生物3D打印技术领域的进步，预计会出现更多的生物医学应用。