生物打印組織技術的研究進展

王振勇

（黑龍江省佳木斯大學第一附屬醫院骨一科，黑龍江佳木斯154000）

1 前言

3D打印技術是快速成型技術的一種，始于20世紀90年代，其基本原理是以數據為基礎的逐層疊加累積制造。3D打印技術是集計算機學、機械工程學以及材料科學為一體的多學科交叉技術，近年來發展比較迅猛。在原有廣義的工程學打印的基礎上再次引入組織學、再生醫學，細胞學等概念可實現生物打印技術向臨床轉化。3D生物打印技術在很多領域都有廣泛的應用，尤其是在醫學領域發展更為迅速，如人造皮膚1、耳廓、軟骨2、血管3等眾多的組織構建。

2 3D生物打印機

3D生物打印機是組織工程主要的設備，目前用于組織工程的3D打印設備主要包括：a.噴墨式打印機 b.擠出式打印機c.激光輔助打印機等4，這三種主要的生物打印機都其獨特的優點和局限性。選擇什么樣的打印機能夠滿足我們實驗的要求對于我們來說非常重要，下面是我們對每種打印機主要的優缺點進行綜述。

2.1 噴墨式打印

噴墨式生物打印機是一種把打印材料儲備在打印盒中的打印設備，以液滴的形式進行生物打印，打印時通過擠壓的方式以產生可控制尺寸的液滴。其優點是打印機設備成本較低，打印速度較快，打印細胞活力可＞85%，但是打印生物材料濃度較低。如果生物材料的密度較高，可導致打印機噴頭堵塞，打印細胞密度＜106細胞/ml.噴墨式生物打印機所打印材料不能形很好的力學結構，如需要力學結構的負重部位應與人工材料相結合的方式打印。既能保證其力學結構，也能使細胞很好的粘附、分化、增殖。

2.2 擠出式打印機

擠出式生物打印機實基于噴墨式打印機的升級版，其主要原理是通過施加一個連續的動力，而不同于噴墨式打印機單個動力，其可以擠壓打印出不間斷的連續線條。對于打印材料的選擇也可以更具多樣化，打印成本要比噴墨式打印機高，但打印的細胞活力為45%-80%，遠低于噴墨式打印機，其打印生物材料的粘度較高，細胞密度也比噴墨式打印機高，打印結構通過交聯后可以很好的保持其原有形狀。

2.3 激光輔助打印機

激光輔助打印機是較噴墨式打印機和擠壓式打印機更為昂貴的打印設備，激光輔助打印機原理復雜，激光輔助打印機操作更加復雜，激光輔助打機打印可以避免設備與所打印材料之間的直接接觸，這種非接觸式打印方法不會對細胞產生機械應力，所以其打印細胞活力可達＞95%。對于材料粘度的選擇也更多，可打印材料的粘度較前兩者較高，可制造更為復雜的組織器官。

3 3D生物打印材料

常用的3D生物打印材料包括天然生物材料和人工合成材料，每種材料都有其獨特的化學性質和機械性能5。生物材料的選擇可以決定所打印組織器官的宏觀及微觀精細結構。所使用生物材料的力學性能要求穩定。如果打印纖維力學強度較低可出現支架坍塌現象，形成單一的支架。對于體內應用來說，機械穩定性是至關重要的，許多使用的生物相容性好的生物材料卻缺乏足夠的機械性能。為了克服這一障礙，最有希望的方法是混合打印，其中機械支撐和細胞相容性的功能分為兩種材料，雖然這樣可以有效地改善機械性能，這篇文章主要對水凝膠、人工合成材料進行討論。

3.1 水凝膠

水凝膠是應用的特別廣泛的生物材料，因為它可以模擬天然細胞外基質并且具有一定機械支持能力，在3D環境中能使細胞有效且均勻的接種。水凝膠材料可分為天然組織水凝膠材料和人工合成水凝膠材料，由于其具有良好的通透性和包裹細胞的能力，所以非常適用于3D生物打印，因而是被廣泛用于生物3D打印的生物材料6。水凝膠類的生物材料對細胞打印存在一些缺點，例如不適當的交聯和液體流變特性改變，這將阻礙精確的3D打印成型7。

天然水凝膠材料是細胞外基質組分或組織衍生的水凝膠材料，廣泛用作3D生物打印中細胞系統中的生物材料來源，如膠原蛋白，多糖、透明質酸等。天然水凝膠是組織工程最理想生物材料，他不僅為細胞提供合適粘附、生長、增殖及分裂微環境，而且對細胞不產生毒性，可隨時間的增長而逐漸降解，降解后的物質無毒性，對細胞增生繁殖無影響。天然水凝膠不僅具有包裹細胞和打印的能力，而且水凝膠有理想的一定粘度和塑型應力特點，允許通過3D生物打印機在空間位置上精確的擠出。所以其仍然是用于細胞包裹的最常用的生物材料。

3.2 人工合成材料

人工合成聚合物眾多，包括聚氨酯（PU），聚己內酯（PCL），聚乳酸（PLA），聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸乙醇酸（PLGA）等。人工材料可降解，降解后產生毒性較小，對細胞影響較弱，人工合成材料還能為組織支架提供較好的力學支撐結構。使打印組織維持一定的形狀，保持一定的孔隙率，不易塌陷形成單一結構支架。人工合成材料支架能為細胞提供遷移和增殖的支撐結構，細胞在支架材料上增殖分化，同時分泌細胞外基質成份，還可以為提供細胞外基質產生和重塑的空間。人工復合材料能提供良好的力學支撐，使打印結構力學強度增加。

4 結語

經過十幾年的發展，3D生物打印技術已經逐漸成熟，但仍然處于初級階段。雖然3D打印技術和生物材料已經日新月異，但對于實現理想制造組織器官的目標還相差甚遠。目前的3D生物打印技術和生物材料還不能滿足我們對制造組織器官的要求，理想的生物打印材料應該具備以下幾點：a可打印性,b可以保持良好的細胞活力、粘附及增殖,c生物材料還應該提供足夠的強度和結構支撐,d具有仿生性，e所選擇的材料可以降解8。對于中空管狀結構生物打印的一些基本要求，現有的生物材料和打印技術它們仍然缺乏足夠高的分辨率和多功能性來生產具有非常小的內徑和足夠的結構復雜性的管腔結構，以制造復雜的組織和器官工程需要。但我們要克服的問題依然很多，如力學問題，材料降解問題，以及打印材料通透性等問題。