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什么是3D生物打印?

提到3D打印,大家脑海里会浮现什么画面呢?

3D打印机?3D打印笔?还是3D模型?

在通常的概念里,3D打印主要出现在机械制造、机器人、玩具模型等高科技领域,它似乎离我们的生活很远,离医疗很远。在大多数人的印象里将3D打印技术用于医学临床治疗依然属于科学幻想,可想而不可及。但实际上近期3D打印在医学领域使用的研究接连取得新突破,或许在未来的10-20年时间内,在临床上应用中我们就能使用到由3D打印制造的产品。

那么,究竟什么是3D生物打印技术呢?下面我们就一探究竟。


1. 3D生物打印概念

从广义上说服务于生物医疗领域的3D打印(增材制造)就是生物3D打印。

狭义上说生物3D打印特指操纵活细胞打印活性三维结构的过程,也就是所谓的载细胞打印,也可称为细胞打印,或器官打印。

注意这里的细胞打印不是打印出新的细胞,而是指将细胞作为打印原料。
由于单纯的细胞无法打印构成结构,我们将细胞与水凝胶混合构成所谓的生物墨水,用生物墨水打印活性结构。这里水凝胶的作用有两个:作为打印时的黏合剂实现3D成形,打印后固定细胞位置并为细胞提供类体内的3D环境也就是起细胞外基质(ECM)作用。


2. 3D生物打印的方法

目前主要有三种打印方式:
挤压成型生物打印(extrusion-based bioprinting, 简称EBB)
液滴喷射生物打印(droplet-based bioprinting or inkjet, 简称DBB)
激光辅助生物打印(Laser-based bioprinting, 简称LBB)


3. 3D生物打印的应用

3D生物打印也广泛地应用在检测药物上,通过在芯片上打印人体器官(organ-on-a-chip),可以更好的模拟人体内部环境,从而用来提高检测药物的准确性和效率。相比传统的药物检测方法,这样可以做到在实验室中更低成本的并且更好的模拟活体环境。3D生物打印证明了精确模型可以改善我们评估新药物的方式,例如生成由多种类型细胞组成的“类器官”,以及具有工程血管的肿瘤模型。此类措施可在多个器官中实时快速监测药物的相互作用,但可能需要多次迭代以实现这一目的,例如加入血管、连接器官模型。


4. 为什么要用3D打印一个生物组织呢?

因为在薄薄的单层(monolayer)结构中,细胞们无法展现3D结构的细胞交流(cell interaction) 从而导致细胞功能(cell function)的部分丧失。 通过CT、MRI获得生物组织的结构图像再将数据输入数据处理系统,然后通过电脑软件3D建模(CAD Computer Aided Design)从而在三维的打印一个器官。通过精确控制生物材料细胞精,生物细胞,生长因子在整体3D结构中的位置,组合,互相作用,使之具有生物活性,并能实现与目标组织或生物器官接近,实现与人体器官的复制,甚至提升人体器官的潜能。


5. 3D生物打印的最新进展

5月3日,英国东英吉利大学的研究人员宣布发明一种3D方法,可在高度多孔的结构中进行药物的3D打印,可用于调节药物从赋形剂中释放到人体的速率。该方法可以实现药物的精准计量和个性化的药物组合。
5月4日,加拿大阿尔伯塔大学医学与牙科学院的研究人员发现了一种将3D生物打印技术与细胞培育相结合的方法来制造可具有功能性的外科用定制鼻软骨的方法。

目前东英吉利大学的3D打印药物控释技术正在进行对复杂药物组合的推进,而由阿尔伯塔大学主持的3D生物打印鼻软骨技术仍在继续其长期实验以观察软骨是否能维持其特性。如实验顺利,有望在2-3年后开始临床实验。


6. 3D生物打印的挑战

3D生物打印目前的挑战有3D结构的不稳定性,目前只能保持2.5D的维度以防止整个结构在打印的时候崩坏。作为一种先进技术手段,生物打印技术还有很多挑战,例如打印分辨率、速度、生物兼容性。目前打印最高的分辨率达到微米级,但还不足以打印毛细血管级别。目前离复制出一个完整可用的生物器官还有很大距离。


其实,3D生物打印技术是非常复杂的过程,很多工作才刚刚展开,所以在这条路上,我们是任重道远,万里长征我们才刚刚开始走。但是,我们有理由相信,在今天的中国,在未来的5-10年之内,3D生物打印技术一定能走向成熟。


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参考文章:《3D打印在国内的前景怎么样》 来源:知乎 用户名:酸菜 《3D生物打印的主要难点是什么》 来源:知乎 用户名:陈盖瑞

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