三维生物打印的前景：开创非合成组织生成、开放式心脏手术移植等新技术

本文重点介绍快速发展的创新技术--3D 生物打印技术，以及它如何通过按需提供组织和器官来解决器官短缺问题。您可以从中了解到该技术的背景、生物打印中使用的微粒技术，以及该领域在再生医学、药物研发和移植方面的最新进展。此外，还探讨了该技术改变全球患者护理的未来前景。

生物打印突破：3D 生物打印功能组织和器官

三维生物打印是一项相对较新但发展迅速的技术。它被认为是再生医学、组织工程和器官移植的重要工具。生物打印技术以快速成型技术为基础，通过逐层沉积细胞和生物活性分子来制造功能性人体组织和器官。这一突破为日益严重的器官短缺危机提供了重要的解决方案。
在最先进的状态下、 三维生物打印 通过提供按需定制的替代器官，可彻底改变对病人的治疗。本文探讨了该技术的发展、方法、最新进展和未来研究方向。文章还重点介绍了真实世界中的 医疗 在药物开发、外科手术和移植手术中的应用。

生物打印的历史

三维生物打印技术发明于 20 世纪 80 年代末。生物打印技术的起源可追溯到 1988 年，当时喷墨打印机沉积活细胞的能力得到了证实。这为创建更先进、更复杂的生物打印模型奠定了基础。

第一台印刷风琴

1999 年，维克森林大学的安东尼-阿塔拉博士团队通过微挤压生物打印技术，成功地植入了第一个人造器官--人体膀胱。这有助于证明，通过细胞、生物材料和生长因子，可以分层构建与人体组织和器官一样精细的结构。

生物打印技术的最新进展

下文将讨论生物打印技术的最新发展。近年来，生物打印技术有了很大发展。目前，他们已经能够打印出与人体大小相同的组织、可存活的器官和疾病模型。以下是一些最令人兴奋的发展：

打印心脏和胰腺

2019 年，科学家打印出了最复杂的器官之一--带有血管的兔子大小的心脏。另外，一个研究小组利用多种细胞类型开发出了首个全人工胰腺。这有助于治疗糖尿病。

定制机型

在生物打印技术中，科学家能够打印出经过调制的组织样本，然后将其用于药物测试或疾病研究。一个小组尝试了实际的 3D 打印 他们还将生物打印器官与被称为 "芯片上的器官 "的微型制造系统结合起来，用于模拟人体疾病的发展过程。他们还将生物打印器官与被称为 "芯片上的器官 "的微型制造系统相结合，用于假装人体疾病的进展。

新型生物材料

通过探索新型生物材料，分辨率得到了提高。一项研究利用基于聚乙烯醇的定制水凝胶打印出带有多种细胞类型的微型肝脏。这些新型 "生物墨水 "将支持更高保真的复杂器官打印。

总之，三维生物打印技术近年来发展迅速。打印出人体大小的功能性组织和疾病模型，使再生医学的前景更加接近现实。进一步的发展将有助于改变医疗保健。

全球器官捐赠者持续短缺

尽管如此，全球对器官移植的需求远远超过捐赠器官的供应。目前，美国有超过10万人在等待肾脏、肝脏或心脏等器官的名单上；然而，干细胞有可能剥夺这一机会。在面临严重匮乏的实体中，每天都有20名病人因缺乏人手而去世。

供需差距不断扩大

在过去的几十年里，这一差距急剧扩大，而器官移植的潜力却大大增加。在过去 20 年中，器官移植的需求量每年增加 7%。因此，尽管公众大力开展了动员已故捐献者的宣传活动，但器官来源仍几乎停滞在已故捐献者身上。尽管如此，2021 年仅进行了 14.7 万例移植手术，以满足巨大的临床需求。

生物打印器官：潜在的解决方案

了解人体器官稀缺问题的科学家们认为，三维生物打印技术可以作为危机的解决方案，根据订单提前制造人造人体器官。如果开发出用于人体植入的生物打印技术，就有必要避免使用捐赠者和等待名单。

个性化移植减少排斥反应

个性化移植还能减少排斥反应的发生 以下是研究中使用的方法摘要： 1.由于这涉及用病人自身的细胞打印替代器官，因此可以减少移植排斥反应。与要求病人终身接受免疫抑制的传统器官移植相比，这是一个非常重要的优势。定制的器官还可望在体内存留更长时间。

首次成功植入人体

生物打印器官首次用于移植是在 1999 年，当时安东尼-阿塔拉博士通过手术将使用病人体内细胞制作的膀胱支架植入人体。尽管科学家们仍在等待确切的进展，但他们预计，至少在未来十年内，肝脏、心脏、肾脏和其他器官的组织打印件可以在人体内安全试用。

减少可预防的死亡

如果被证明有效，3D 打印器官或许能解决仅在美国每天就有 20 多人死于器官衰竭的问题。按需生产生物部件可以使生物打印技术拯救成千上万等待移植却得不到所需器官的人。

总之，器官的持续短缺凸显了对再生解决方案的迫切需求。生物打印技术有望克服对捐赠者的依赖，从而改变移植手术。

用于复杂 3D 生物打印的专用生物材料

使用最佳生物材料（通常称为生物墨水）可极大地促进通过三维生物打印技术制造组织和器官。这种工程水凝胶应允许细胞在打印过程中存活，并在打印过程中逐层沉积。 印刷工艺.

生物聚合物类别

人们熟知的天然聚合物有海藻酸盐（一种从海藻中提取的聚合物）、从胶原蛋白中提取的明胶、透明质酸和胶原蛋白本身。后者常用的有聚乙二醇（PEG）、聚乳酸-共-乙醇酸（PLGA）或生物降解聚氨酯（PUs）。复合聚合物具有生物聚合物和合成聚合物的优点。

用于可靠生物打印的 Parteck 辅料

领先的辅料生产商 Parteck 为生物墨水提供一系列生物相容性好、符合 GMP 标准的添加剂。它们生产的聚乙烯醇（PVOH）（如 MXP）具有热稳定性，可用于熔融印刷。山梨醇和甘露醇等级可提高室温下的溶解度。Meglumine 可帮助解决反离子、pH 值和溶解性方面的难题。

可定制配方

Parteck 的产品组合使工程师能够定制生物墨水和三维培养基质。多聚多酰胺等产品在打印机条件下具有稳定性。碳酸钙已被证明可有效控制沉积后的支架孔隙率。因此，他们的辅料可支持可靠的多步骤增材制造工作流程。

功能性辅料为组合产品提供便利

随着 3D 打印药物-设备组合的前景看好，功能性辅料发挥着重要作用。Parteck 的聚维酮产品有利于药物的装载和释放。随着增材制造技术在生产治疗药物方面的发展，Parteck 符合 GMP 标准的产品和配方专业知识将继续协助开发人员安全打印活体组织、器官和组合产品。

总之，专用生物材料和辅料对于推动三维生物打印领域的发展至关重要。提供量身定制的高品质辅料的公司有助于优化生物墨水，并最大限度地提高复杂活体结构的打印保真度。

利用打印器官实现个性化医疗

一种前景广阔的应用是完全根据患者的解剖结构和自身成熟细胞定制生物打印器官。这种个性化方法可以通过消除排斥风险避免使用免疫抑制药物，从而彻底改变移植手术。它还能比 "一刀切 "的供体更好地处理异常情况。

手术培训和规划援助

医学专业人员已将生物打印组织模型用于教育和手术前用途。复杂的解剖结构可以让受训者通过逼真的模拟演练手术。外科医生在对病人进行手术前，可以通过在打印的器官复制品上进行练习来验证计划。这样可以提高手术效果。

通过高通量筛选加速药物发现

与传统的动物试验相比，生物打印人体组织能以更具成本效益、更快的方法评估药物的安全性和有效性。研究人员可以打印多个器官和特定疾病模型，同时筛选数千种化合物。

器官芯片的人体相关结果

通过整合 印刷纸巾 在微流控芯片上，可以复制影响药物代谢的复杂的多器官相互作用。这种 "芯片上的人体 "方法可生成与人体相关的数据，以便在研发过程中尽早确定药物的毒性和有益影响。

减少对动物模型的依赖

随着生物打印构建体在复制完整器官功能方面的进步，它们可能会在某些研究中减少对活体动物的使用。目前，研究人员依靠 3D 打印皮肤和肺部模型来研究疾病建模、个性化医学和毒理学。预计进一步的发展将减少对动物的需求。

总之，三维生物打印技术可在以下广泛领域提供组织工程和再生解决方案 医疗应用.它在实现个性化护理、加强教育和加快研究方面的潜力值得继续开发。

实现按需制造器官的承诺

虽然已经取得了重大进展，但要在临床上广泛使用生物打印器官，仍必须克服一些技术挑战。科学家们将继续努力，争取实现这一变革性领域的全部前景。

提高印刷保真度和成熟度

未来研究的目标是提高分辨率，并在复杂的三维结构中模拟原生器官堆叠多种细胞类型。生物材料开发和器官 "培养 "系统可促进体外组织的全面发育和成熟。

验证临床前试验的功能性

随着打印的构建体越来越贴近生理，长期的动物研究将对移植、血管化、药物反应和整体器官功能进行评估。成功的临床前试验将为初次人体植入铺平道路。

为单个器官量身定制生物打印技术

不同的生物打印工艺可以优化每个器官独特的细胞组成和几何形状。肾脏的复杂微观结构与心脏的横纹肌所面临的挑战不同，因此需要针对特定组织的解决方案。

制造和监管标准化

就可复制、可扩展的生物打印标准达成一致，并对安全性/有效性进行验证，将为广泛的临床转化注入监管信心。国际合作可加快这一进程。

随着技术的不断进步，个性化三维生物打印器官可在未来几十年内解决器官短缺问题，从而改变全球移植手术。它们的应用有望加强对病人的护理。

结论

三维生物打印技术得到了长足发展，为解决全球器官短缺危机带来了希望。尽管血管化和组织成熟等挑战依然存在，但支架工程、干细胞和生物墨水方面的技术进步正在推动这一技术的进步。在未来 10-15 年内，个性化生物打印器官将改变移植和再生医学，提供大量挽救生命的组织和器官。

常见问题

问：3D 生物打印是如何工作的？

三维打印需要一层生物墨水，而生物墨水包含活细胞、生长因子和各种生物材料。不同的方法，包括喷墨、激光辅助生物打印和基于挤压的系统，都能将生物墨水置于正确的位置，从而形成活组织的三维组装。

问：哪些类型的组织可以进行生物打印？

组织工程学已经应用于多种类型的组织，如皮肤、骨骼、血管、心脏和包括肾脏、肝脏在内的简单器官。目前正在对更复杂的形式进行研究，如具有普遍生命力的心脏瓣膜，不久也许还能在适当的情况下制造出整体功能器官。

问：3D 打印器官何时可用于移植？

目前，一些组织正在临床试验中进行测试，尽管还有一些基本的组织......更复杂的微型器官还需要 5-10 年的时间。在获得监管部门批准并通过动物和早期人体研究的临床验证后，10-15 年后可能会出现完全成熟的带血管系统的可移植器官。标准化工作将影响转化时间表。