生物3D打印助力健康中国 — Print me an organ究竟还有多远？

据卫生部2012年统计，中国每年等待器官移植的人数在150万左右，而能够获得移植的仅1万人左右，绝大多数垂危的病人因不能及时等到器官供体而丧生，器官供体严重短缺也成为了国际性难题。如果能够不依赖稀缺的捐赠器官，利用患者自身的细胞等作为原材料，再运用先进的生物3D打印技术在实验室中能够快速、廉价地构建健康的新器官，那将能挽救多少垂危的生命？在过去的十几年里，这个梦想推动了众多领域科学家的不懈努力和探索。

生物3D打印技术是将生物单元(细胞/蛋白质/DNA等)和生物材料按照仿生形态学、生物结构或生物功能、细胞特定微环境等要求用3D打印技术制造出具有个性化的体外三维结构模型或三维生物功能结构体。近年来，生物3D打印技术在医学领域逐渐开始应用，具体来说有以下几个方面：

图2. 生物3D打印的应用领域（源自文献）

1. 医疗器具

3D打印技术成型速度快，可设计性强，特别是针对一些复杂曲面体结构的制造更有独特的优势，因而可以应用3D打印技术来设计、制造个性化的生理/病理三维模型或体外医疗器械等，主要用途有矫形工具、手术导板、定制假肢、医疗护具、医疗器械等。在此类应用中，生物3D打印技术所成形的零件需要有一定的力学强度和韧性，但因无需植入体内，因而对所用材料的生物相容性要求不高。

3D打印、医疗器具模型

手术导板、定制假肢

2. 永久植入物

除了体外定制化医疗器具外，3D打印技术还可用于体内植入物的制造，例如永久骨科植入物。因所制造的产品需要植入体内发挥功能，所以要求使用的材料除了具有优异的力学性能外，还必须具有良好的生物相容性，而且通常是不可降解的，例如钛合金、聚醚醚酮（PEEK）等。这类3D打印骨科植入物主要用于骨替代，通常是较大面积的骨缺损。

图5. 3D打印钛合金与聚醚醚酮骨植入物

3. 组织工程支架

组织工程是应用细胞生物学和工程学原理，将人体某部分的组织细胞种植和吸附在一种生物材料的支架上进行人工培养繁殖、扩增，然后移植到人体内所需要的部位，从而达到器官修复或再生目的的一种技术。由于每个人的组织或器官都是独一无二的，组织损伤都是随机的，损伤部位的形状、结构也各不相同，通过前期扫描然后应用生物3D打印技术可以精确地制造出个性化组织工程支架，更好地用于组织修复。

图6. 3D打印组织工程支架的应用（源自文献）

组织工程支架材料即为提供结构框架和装载生物活性诱因的工程化生物材料，它们将内源性祖细胞或干细胞引导至损伤部位，促进宿主干细胞和祖细胞的附着和迁移，并驱动这些细胞分化为组织特异性细胞类型，从而帮助受损组织愈合。在组织工程支架中，相互连通的孔隙是非常重要的，以允许营养物和分子运输到支架的内部，促进细胞向内生长，血管化以及废物运除。目前，多孔组织工程支架可以通过多种方法制造，例如化学/气体发泡，溶剂浇铸，颗粒/盐浸，冷冻干燥等。然而这些方法，不能控制孔径，形状及其互连性，使用3D打印方法设计和制造组织工程支架，可以精确地控制孔的大小、形状、分布及孔隙率，进而可以更好地促进细胞粘附生长和组织修复。此外，随着新的组织结构逐渐再生，支架应随之降解成小分子，进而被体内完全吸收或代谢排出，组织损伤部位由新组织修复。因此要求支架材料不仅需要具有良好的生物相容性，并且可在体内自然降解。

图7. 组织工程支架的制造（源自文献）

4. 细胞3D培养

在过去的数年中，二维（2D）单层细胞培养一直是药物研发的主要实验模型，然而对于某些应用而言，单层细胞培养是细胞在改变的体外环境下增殖生长，会丧失原有组织形态，因此2D细胞培养很难恰当地反映出细胞的体内生长状态。而体外三维（3D）培养为细胞提供更加接近体内生存条件的微环境，能够更好地模拟生理状态，使细胞能够表达合理的基因及性状，有观察直观和条件可控的优点。因此，3D细胞培养在基础研究和药物发现中的应用越来越广泛。3D细胞培养的方式有很多，最具优势的就是3D打印生物支架法，通过逐层累积生物材料，可以精确地制造出适宜细胞生活的个性化“住宅”，进而可以促进细胞分化和组织生长。

图8. 细胞3D培养与2D培养的区别（源自网络）

5. 类器官（器官芯片）

2021年1月28日，国家科技部发布“十四五”国家重点研发计划，“干细胞研究与器官修复”被列入其中。《指南》指出，干细胞研究与器官修复的几个重点方向包括：干细胞命运调控、基于干细胞的发育和衰老研究、类器官与人源化动物模型等六个重点方向。

图9. “干细胞研究与器官修复”被列入“十四五”（源自知乎）

所谓类器官，是指一种能在体外环境培养的具有三位结构的微器官，拥有真实器官类似的复杂结构，能够部分模拟真实器官的生理功能。人体器官芯片指的是一种在芯片上构建的器官生理微系统。借助类器官（器官芯片），人们可以深入观察了解器官的生长发育过程，了解疾病的发生原因。因其可以在很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征，在疾病建模、药物筛选、药效检测等诸多领域都有广泛的应用前景。

将药物推向市场是一个竞争激烈，成本高昂且具有挑战性的过程，涉及临床前实验和动物测试，然后才是耗时且昂贵的四个阶段的人体临床试验，这可能需要长达7年至15年的时间，价格高达55亿美元。即使有10种可行的药物化合物被确定可用于人体试验，也只有1种能够真正进入市场。鉴于如此高的损耗率，是否可以通过生物3D打印技术更好地识别可行的化合物来节省宝贵的时间和资源，并将最有希望的药物投入临床试验呢?

动物测试通常无法表现人体新陈代谢的复杂性，会导致错误的阳性和阴性结果，从而不能准确反映药物对人体系统的毒性。考虑到动物模型的局限性，科学家们转向人体器官模型也就不足为奇了。通过将生物3D打印中的细胞培养自动化与精心定制的生物材料（生物墨水）相结合，就可以在更短的时间内，以更大的数量培植、供给和维护人体器官模型，从而减少了在这些任务上花费的时间和精力。因此，生物3D打印人体类器官可以在药物开发的初始阶段更有效地识别可行的化合物，节省制药行业的时间和金钱，从而将最有希望的化合物转移到昂贵的人体临床试验中。

图10. 人体器官芯片发展历程（源自文献）

通过生物3D打印技术，可以实现类器官的手工构建替代，从自动化程度和仿生程度全方位提升类器官的质量，已经逐渐成为构建类器官的新一代方法。生物3D打印技术为类器官的构建带来了全自动化的高通量生产、高稳定性的批量模型、复杂可控的类器官结构、适宜黏度仿生材料的稳定精准打印等诸多优势，加速了类器官技术在精准医疗、再生医学、药物筛选、药效检测、基因编辑、疾病建模等领域的发展。

总结

各性增材，未来已来。

在“工业4.0”和“中国制造2025”时代的大背景下，3D打印技术方兴未艾。习主席提出科技工作要“面向人民生命健康”，生物3D打印技术也必将助力健康中国战略。然而，生物3D打印是一个多学科交叉的方向，涉及到计算机、机械、自动化、物理、化学、材料、生物、医学等诸多领域，需要各个领域的科学家们齐心协力，一代接一代地不断探索。深耕厚植，未来可期，也许，打印可植入器官的那一天，真的不再遥远。