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  近日，哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授團(tuán)隊(duì)在《Small》雜志上發(fā)表綜述論文（內(nèi)封），總結(jié)和展望了3D生物打印的研究發(fā)展，主要包括：生物打印發(fā)展的歷史及最新進(jìn)展；為獲得最佳仿生結(jié)構(gòu)的功能化生物墨水研究進(jìn)展；生物打印的未來發(fā)展方向；目前市場(chǎng)上可獲取的多種生物打印機(jī)及其打印組織的潛在應(yīng)用。

  前言部分介紹了3D細(xì)胞打印出現(xiàn)的必然性及其優(yōu)勢(shì)。在組織工程領(lǐng)域，組建功能性的立體組織的傳統(tǒng)方法有很多，包括三維支架、自裝備微工程技術(shù)和無支架細(xì)胞膜片等。這些方法都各有優(yōu)勢(shì)，但均不能在高精確性及可控性上實(shí)現(xiàn)可再生，而近年來發(fā)展的3D生物打印技術(shù)，通過智能程序化的設(shè)備，將生物材料和細(xì)胞打印成可再生的立體結(jié)構(gòu)，可解決這個(gè)難題，具有前所未有的準(zhǔn)確度和精度。而生物打印技術(shù)、生物墨水設(shè)計(jì)和細(xì)胞來源決定了是否能成功打印出所需的生物結(jié)構(gòu)。

  正文第一部分總結(jié)了光固化打印、噴墨生物打印、激光輔助生物打印、擠出法生物打印、靜電紡絲法生物打印的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用。

  第二部分總結(jié)了用于生物打印的具有功能性的生物墨水的設(shè)計(jì)，及其力學(xué)性能、生物學(xué)性能和電學(xué)特性等。生物墨水構(gòu)成了3D打印的工程組織及器官結(jié)構(gòu)的支撐，是決定能否成功打印的最關(guān)鍵因素之一。目前已開發(fā)的生物墨水有alginate、fibrinogen、gelatin、collagen、chitosan、agarose、pluronics、hyaluronic acid（HA）、GelMA、PEG和decellularized ECM（dECM)及其混合材料等。

  第三部分總結(jié)了生物打印的細(xì)胞來源。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）在生物打印方面應(yīng)用比較廣泛，脂肪干細(xì)胞（ASCs）、羊水干細(xì)胞（AFSCs）、牛動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞（BAECs）、胚胎干細(xì)胞（ESCs）和完全分化的細(xì)胞也適合3D生物打印應(yīng)用。

  第四部分詳細(xì)討論了生物打印的最近研究進(jìn)展，包括任意形態(tài)復(fù)雜結(jié)構(gòu)仿生生物打�。▓D1）、具有梯度及多材料結(jié)構(gòu)的仿生生物打印（圖2）、高分辨率生物打印、原位生物打印（圖3）和4D生物打印。

圖1 不同形狀及結(jié)構(gòu)的任意形態(tài)生物打印

A）將超分子HA-Ad注入到HA-CH基體的原理圖

B）用不同針規(guī)將用羅丹明標(biāo)記的細(xì)絲注入到熒光標(biāo)記的水凝膠中

C）熒光標(biāo)記的生物墨水細(xì)絲、羅丹明標(biāo)記的生物墨水連續(xù)螺旋地注入到未標(biāo)記的水凝膠中的共聚焦圖

D）將羅丹明標(biāo)記的生物墨水注入到未標(biāo)記的水凝膠中的離散元素的共聚焦圖

E）在生物墨水中打印以含有NIH/3T3成纖維細(xì)胞（紅色）水凝膠為支撐的間充質(zhì)干細(xì)胞（綠色）共聚焦圖

F）基于可灌注結(jié)構(gòu)地3D核磁共振圖的人右冠狀動(dòng)脈的模型及生物打印結(jié)構(gòu)

G）人股骨和除去支撐水凝膠的海藻酸鈉生物墨水打印設(shè)計(jì)的模型

H）3D生物打印腦結(jié)構(gòu)

I）3D生物打印心臟結(jié)構(gòu)

J）3D生物打印仿章魚結(jié)構(gòu)切片、多層套娃結(jié)構(gòu)模型

K）3D生物打印中空血管連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

圖2 多材料擠出及立體光刻生物打印的最新解決方案

A）由7個(gè)通道和一個(gè)噴嘴組成的多材料擠出生物打印機(jī)原理圖

B）立方體、環(huán)柱、金字塔、條形的生物打印結(jié)構(gòu)圖

C）不同器官的生物打印結(jié)構(gòu)圖

D）用來展示成骨誘導(dǎo)特性梯度的生物打印GelMA-羥基磷灰石結(jié)構(gòu)

E）用含不同濃度碳納米管的GelMA來生物打印的并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)（由綠色LED的強(qiáng)弱來表征電流）

F）具有紫外光源（385nm）、光學(xué)透鏡及物鏡、DMD芯片、微流體裝置的多材料立體光刻的配置平面圖

G）星型模式、雙矩形模式的微流體芯片生物墨水灌注交替過程

H）血管化腫瘤模型的原理圖（左）、生物打印光掩模圖（中）、含有食用色素的生物打印GelMA血管化腫瘤結(jié)構(gòu)（右）

I）骨骼肌肉模型的原理圖（左）、生物打印光掩模圖（中）、含有C2C12骨骼肌細(xì)胞（紅色）、成纖維細(xì)胞（藍(lán)色）和血管內(nèi)皮細(xì)胞（綠色）的生物打印GelMA結(jié)構(gòu)的熒光顯微圖

J）肌腱-骨骼嵌入模型的原理圖（左）、生物打印光掩模圖（中）、具有相應(yīng)特征的生物打印染色結(jié)構(gòu)的亮場(chǎng)光學(xué)圖

圖3 手持式原位生物打印解決方案

A）上部為生物打印筆的原理圖及照片，下部為細(xì)胞和生物墨水同時(shí)擠出的原理圖

B）用生物打印筆在股骨髁中部和側(cè)面承重區(qū)域全層軟骨缺陷的治療

C）手持式皮膚生物打印機(jī)的工作原理圖（（左上）、效果圖（右上）、不同生物墨水組合的生物墨水筆頭的圖片（左下）及其在修復(fù)皮膚表層的應(yīng)用原理圖（右下）

D）對(duì)照組皮膚、表層處理組皮膚、及其肉芽組織再上皮化的Masson三色染色的圖片匯總

E）用來治療骨缺損，將載有誘導(dǎo)血管因子的PCL納米粒子封裝進(jìn)硅酸鹽剪切稀化水凝膠（STH）進(jìn)行原位打印的原理圖

F）定制式多通道手持生物打印筆

G）用STH生物墨水在模式豬骨上進(jìn)行骨缺損的治療

  第五部分總結(jié)了功能性組織的生物打印。目前具有功能性的血管化組織和獨(dú)立血管結(jié)構(gòu)、神經(jīng)組織、軟骨和骨組織、心臟組織和骨骼肌肉均有研究報(bào)道。這些生物打印結(jié)構(gòu)不僅在體外表征良好，而且在植入動(dòng)物后也很成功，這表明3D打印仿生器官具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，并有可能在不久的將來被引入某些臨床應(yīng)用。

  第六部分總結(jié)了目前可獲取的商業(yè)化的生物打印機(jī)。在北美、歐洲和亞洲均有多家基于不同生物打印技術(shù)的打印機(jī)制造廠家，他們是生物打印領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

  正文最后展望了生物打印的未來研究方向及所面臨的挑戰(zhàn)。3D生物打印技術(shù)在過去十年中迅速發(fā)展，并將繼續(xù)增長(zhǎng)。完全仿生轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的生產(chǎn)是近期研究的主要焦點(diǎn)。盡管目前大多數(shù)生物打印的組織構(gòu)建體僅模仿相關(guān)的生物組織結(jié)構(gòu)，但是組織的相應(yīng)血管形成、多細(xì)胞設(shè)計(jì)和高分辨率生物打印形成了生產(chǎn)用于臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用的功能組織的基礎(chǔ)。最近在體內(nèi)環(huán)境中研究趨勢(shì)已經(jīng)證明生物打印的構(gòu)建體能夠在不同程度上發(fā)揮其功能。預(yù)計(jì)3D生物打印將繼續(xù)發(fā)展，并將從科學(xué)研究逐漸向再生醫(yī)學(xué)中的轉(zhuǎn)化并應(yīng)用。

文章信息：

  3D Bioprinting: from Benches to Translational Applications. Marcel Alexander Heinrich, Wanjun Liu, Andrea Jimenez, Jingzhou Yang, Ali Akpek, Xiao Liu, Qingmeng Pi, Xuan Mu, Ning Hu, Raymond Michel Schiffelers, Jai Prakash, Jingwei Xie, Yu Shrike Zhang. Small. 2019. 

  https://doi.org/10.1002/smll.201805510