3D 生物打印技术的进步：革新医疗保健和器官移植

探索三维生物打印如何重塑医疗保健，从创建用于药物测试的组织模型到器官移植的未来。了解再生医学的前沿技术、挑战和突破

生物打印技术的进步：三维打印如何重塑医疗保健

三维生物打印是一种创新的生产技术，在医学突破领域具有前所未有的可能性。这是因为，当活细胞与生物材料混合并缓慢分层添加时，研究人员能够 3D打印的作用 功能性活组织和类器官结构。再生医学正处于发展阶段，但有潜力通过组织和器官制造为日益增长的器官移植需求提供创新解决方案。此外，生物材料、细胞来源和多组织复杂结构的不断进步有望在未来改变再生医学。

本文探讨了三维生物打印应用的最新进展及其广泛影响。在实验室中制造的组织和器官可以实现更安全的药物筛选和疾病建模，应用范围从癌症研究到罕见遗传疾病。最终，生物打印的整体器官可能会缓解移植手术等待者众多的问题。然而，从血管形成到器官尺度的复杂性和材料，仍然存在相当大的技术挑战。本视角通过讨论成功案例、局限性和未来方向，展示了生物打印重塑医疗保健的潜力，同时强调了未来的需求。

三维生物打印技术

喷墨生物打印

我们使用喷墨生物打印技术，通过热或压电致动器沉积细胞生物墨水液滴，然后通过加热或加压排出液滴。然而，由于担心弹射对细胞造成冲击性损伤，操作压力限制了最大细胞密度，使其低于 106 个细胞/毫升。

挤压生物打印

挤压式三维生物打印采用沉积喷嘴连续分配生物墨水的方法，使细胞密度超过 107 cells/ml。半固态生物墨水通过精细喷嘴挤出，并通过气动或机械驱动进行精确控制。与喷墨技术相比，挤压技术可在保持细胞活力的同时提高细胞有效载荷。

激光生物打印

激光生物打印（LaB）利用激光脉冲将供体材料推向接收基底。在LaB中，激光选择性地熔化涂有生物墨水的供体基底，将激光部分喷射出来，以皮升的精度将细胞图案化。 原型制作中的 3D 打印 可实现小于 10 微米的分辨率。在三维生物打印方法中，LaB 的打印分辨率和精度最高。

数字光处理

另一种技术是数字光处理（DLP），研究人员已将其用于制造。在 DLP 光聚合中，来自数字投影仪或镜像设备的可见光被用来选择性地将液态光活性生物墨水逐层固化成所需的二维或三维结构。研究人员定制开发了适用于 DLP 生物打印的树脂，固化后仍能保持较高的细胞活力。

选择生物打印技术

总体而言，挤压和 LaB 通常在构建工程组织方面表现出最强的可行性，尽管选择与否在很大程度上取决于具体要求，如空间余量、打印精度或吞吐量。将两种打印方法结合起来，既能充分利用每种方法的优势，又能减少局限性，还能优化构建物的设计和特性，以达到特定目的。虽然没有一种方法适合所有用途，但这些方法代表了组织制造应用中主要的三维生物打印技术。

材料和细胞来源

生物墨水材料

生物墨水必须能输送细胞、营养物质和信号因子，并能在沉积和成熟过程中承受各种力量。常见的材料包括藻酸盐、明胶、胶原蛋白、纤维蛋白、MatrigelTM、透明质酸和合成聚合物。

材料特性

天然生物材料可提供细胞诱导线索，但打印能力有限。合成聚合物可增强 3D 打印材料指南 但却缺乏原生特性。混合生物墨水融合了多种生物材料，以发挥协同作用。

细胞源

生物打印还需要匹配的细胞类型和来源，如间充质干细胞、软骨细胞、成骨细胞和角质细胞。细胞密度、存活率和均匀性会影响打印质量。

干细胞来源

异体和自体来源提供了可行的替代方法，以取代体内反应难以预测的永生细胞系。脐带、脂肪组织和骨髓成为实用的成体干细胞来源。

能力与局限

三维生物打印技术的优势

挤压生物打印技术在逐层沉积含有活细胞或细胞球体的半固态生物墨水方面前景广阔。连续生物墨水沉积可使细胞密度超过 107 个/毫升，因此非常适合制造更厚的组织结构。激光生物打印（LaB）具有低至 10 微米的超高分辨率，可在精确控制细胞位置的情况下实现复杂的多细胞图案化。数字光处理技术同样能以微米级的分辨率固化生物墨水，促进复杂细胞结构的形成。

虽然喷墨生物打印技术可沉积含有细胞的液滴，具有生产能力，但操作压力限制了最大细胞密度，使其小于 106 个细胞/毫升。这影响了其生成临床相关组织模型所需的细胞密度的能力。尽管存在这种限制，喷墨生物打印技术仍具有成本效益高、材料广泛兼容等优点。

局限性

在各种技术中，一个关键的限制因素仍然是成熟度方面的挑战，因为 3D 打印工具和夹具 在体外条件下，构建体最初与原生组织的微环境存在巨大差异。这就带来了缺血的风险，由于缺乏灌注而限制了尺寸。机械性能很少能复制原生组织，生物墨水在打印后往往会保留不成熟的特性。

由于复制原生微血管网络的复杂性，将血管扩展到临床相关器官尺度仍然十分困难。能满足三维生物打印需求的资源有限，这也造成了限制。评估生物打印构建物的监管框架和标准化指标仍处于开发阶段。技术能力的限制依然存在，完整器官的制造超出了目前大多数打印机的能力。

本地结构的复杂性

有效复制活体组织错综复杂的层次结构是一项艰巨的技术挑战。多种细胞类型在毫米到微米尺度上的动态和多层面相互作用，使模仿原生结构变得更加复杂。材料的限制进一步阻碍了生理机械性能和降解性能的产生。

长期绩效评估

对长期生物相容性、免疫原性、血管化和功能性进行彻底评估至关重要，但由于涉及活体构建物，评估难度很大。预测毒理学和长期临床转化是当前的研究需求。

研究目标

三维生物打印研究的总体目标与再生医学的基本目标一致，即恢复受伤或患病的原生组织和整个器官的正常功能或增强其剩余功能。主要重点是在生物打印后实现稳健的原位血管化和组织成熟，以达到与原生组织类似的功能和生理特性。

一个关键目标是超越打印简单的二维细胞培养物，制造真正的三维器官型组织，更好地模拟天然器官的结构和生化组成。这就需要在原生组织的微观层面上控制不同的细胞环境。研究人员的目标是构建基本的多细胞构建体，以重现整个功能器官的复杂结构。

需要进一步阐明干细胞和组织特异性分化线索，以实现有针对性的表型细胞系发展。改进三维生物打印技术和生物墨水，以构建高度异质的多细胞构建体，并在大体积上实现精确的细胞组织，从而满足临床需求，这一点至关重要。

克服以下挑战 3D 打印的应用 在临床相关尺度上制造厚实、血管化的构造物仍然是一个迫切的目标。制造具有适当机械性能和植入后充分血管网络的可植入构建物至关重要。

体外和体内长期的质量指标和标准化评估至关重要，但目前缺乏基准。此外，为临床转化制定明确的安全性和有效性方案，解决监管障碍也是重点。最终，实现原生器官的复杂性和功能以实现替代移植仍是该领域的最高目标。

重要应用

以下是 3D 生物打印的一些应用：

药物测试和开发

三维生物打印组织模型可以帮助药物测试，降低成本，同时提供比细胞单层更好的生物相关性。制药公司可以利用这些片段更好地了解药物对人体细胞的影响，预测结果。

假肢和植入物

3D 打印技术可为患者量身定制假肢、牙科修复体、颅骨和整形外科植入物。与传统工艺相比，计算设计能以更低的成本实现复杂的定制结构。

组织复制品

医生可以研究病人特定的复杂器官复制品，帮助制定手术计划或进行病人教育。外科医生在进入手术室之前，会演练复杂的步骤。

个性化给药

药物可以通过 3D 生物打印技术定制剂量、定时和多种药物释放。与标准药丸相比，复杂的设计能产生更符合个人需求的释放曲线。

教育和规划

逼真的复制品通过展示疾病的进展或变化，改善了医学教育。学校通过以下方式模拟疾病的生理影响 3D 打印初创企业 器官模型。

手术模拟

为每位外科医生制作复杂工具的原型，有助于手术前练习。模型可通过识别并发症进行无风险手术演练。工具可减轻疲劳，同时提高准确性。

再生组织和器官

随着支架的复杂性和多细胞排列与自然结构的相似性增加，三维和四维生物打印技术从工程组织发展到可移植的整体器官。

挑战与未来

在此，我们将讨论三维生物打印技术面临的所有挑战和未来发展方向：

目前的技术限制

要在几毫米以外的临床相关尺度上实现可充分使用的组织，仍面临巨大挑战。要协调多种生长因子的释放，精确调节细胞行为，就必须解决以下成熟难题 3D 打印创新 构建体最初与原生组织的微环境存在巨大差异。

扩展复杂结构

在基本构造的基础上发展到模仿原生复杂性的整体器官面临着巨大的困难。要生成具有原生生物力学和生理学特性的大型可灌注组织，需要从生物墨水设计到生物反应器优化等方面采取整体方法。

长期性能和安全

在复杂的人体应用中长期严格证明稳健的生物安全性和功能性仍然是一项艰巨的任务。通过既定的组织工程路线图解决这些障碍可能有助于实现三维生物打印的潜力。

监管审批挑战

目前的监管框架不足以评估这些新型活体医疗产品。要通过细致的毒性评估来彻底证明其安全性、有效性和经济效益，这就提出了持续的研究需求。

伦理和所有权问题

打印活体组织引发知识产权问题 印刷纸巾 以及模糊自然与人工的界限。早期研究还带来了关于人类在工程生物结构中的定位的哲学辩论。

技术优化

三维生物打印技术的进一步发展取决于对现有系统和新型材料的优化，同时解决剩余的技术能力和限制，以实现器官的复杂性。

结论

总之，三维生物打印在推动医学和医疗保健发展方面潜力巨大。它在细胞层面提供了前所未有的定制和控制水平。从假肢和植入物、手术模型和工具，到药物开发和研究组织--三维生物打印的应用领域广泛而深远。虽然在规模、复杂性、血管化和监管审批方面仍存在挑战，但该领域正在迅速发展。

多种材料的生物打印技术以及与微流体技术的整合使我们离打印全功能器官越来越近。随着材料和工艺的不断进步，实现可行的可移植组织和器官可能会成为现实。三维生物打印将继续改变研究、治疗和药物开发方式。它有望进一步实现个性化护理，带来精准医疗的未来。随着3D生物打印技术的不断进步和各学科之间形成的协同效应，其彻底改变医疗保健的全部潜力指日可待。

常见问题

通过这项技术可以生产哪些医疗设备和产品？

三维打印技术已应用于医学领域，如制作解剖模型、人体器官假体、手术器械和模板、牙科中的牙冠和牙桥、药物配方和骚扰。实际上，任何可以数字化设计的东西都可以打印成三维模型并制造出来。

3D 打印的解剖模型有多精确？

材料的相关性在很大程度上取决于所使用的具体制作方法，模型的精确性和可靠性也大相径庭。

这项技术的成功取决于输入扫描的质量。最近的先进成像技术，如高分辨率 CT 或 MRI 扫描，使得利用 3D 打印技术精确创建误差小于 1 毫米的解剖模型成为可能。

3D 打印医疗产品等技术是否安全？

使用 3D 打印技术生产的医疗产品与传统制造的设备一样安全，并通过美国食品和药物管理局（FDA）同样的审批程序。必须使用适合各种应用的生物兼容材料。

器官打印还要多久才能成为现实？

虽然已经打印出了简单的组织，但打印整个功能性器官仍然遥遥无期。血管化、与原生组织相匹配的机械性能和规模仍然是主要挑战。要实现可移植的 3D 打印器官，可能还需要 10-20 年的时间。

个人如何获得 3D 打印医疗设备？

医院会购买昂贵的 3D 打印机，但也会将打印业务外包。Xometry 等在线服务可在全球范围内提供医疗设备打印服务。对于较简单的应用，DIY 打印机是一种新兴的选择。