清华大学《AHM》再发综述：从科幻到现实，3D打印重塑医疗未来

来源： EngineeringForLife

随着细胞培养技术从传统的2D向复杂的3D模型的演变，人们对更精确地再现体内细胞环境的追求不断推动着技术的发展。尽管2D培养在生物学研究和药物开发中发挥了重要作用，但它们往往无法复制人体内复杂的细胞相互作用和生理反应。因此，3D细胞培养技术应运而生，它能更有效地模拟细胞外基质（ECM）和天然组织的复杂细胞排列。然而，传统的微组织工程尚未达到完全复制器官样结构的精度要求。

3D生物打印作为一种变革性的方法，提供了对微组织空间排列和机械性能的无与伦比的控制，从而解决了这一问题。这项技术能够通过生物墨水的详细分层来制作具有组织样3D结构的微组织，允许直接构建类器官并微调对组织成熟至关重要的机械力。此外，3D打印设备为微组织提供了必要的指导和微环境，促进了复杂的组织相互作用。尽管3D生物打印在微组织工程中的应用前景广阔，但目前仍面临一些挑战，包括生物墨水的开发、高分辨率血管化的实现以及打印结构的生物活性和长期稳定性等。

针对现状，清华大学的王韫芳以及柳娟团队联合北京印刷学院的韩璐团队主要探究了3D生物打印技术在精密微组织工程中的应用及其对再生医学、疾病建模和药物筛选等领域的影响。相关研究以“3D-Bioprinting for Precision Microtissue Engineering: Advances, Applications, and Prospects”为题发表在《Advanced Healthcare Materials》上。   

以下是对目前亟待解决问题的简要概述

（1）生物墨水的开发：需要开发出能够充分支持细胞活力，同时具备适合打印的流变特性的生物墨水。

（2）高分辨率血管化：在生物打印组织中实现高分辨率的血管化，这对于组织的生存和功能至关重要，但现有技术在这方面还存在不足。

（3）打印结构的生物活性和长期稳定性：确保3D打印的微组织在体外和体内环境中具有足够的生物活性和长期稳定性。

这篇文章为理解3D生物打印在精密微组织工程中的应用和前景提供了深入的分析，并通过探讨关键技术和应用案例，展示了3D生物打印技术在再生医学和药物筛选等领域的应用潜力。

1. 3D生物打印技术概述
3D生物打印技术是一种先进的制造技术，通过逐层沉积生物材料和活细胞来支持微组织工程。

这项技术从传统的2D打印演变而来，通过添加过程进行制造，最近作为一种“自下而上”的工程方法出现。3D生物打印技术能够精确控制微组织的空间排列和机械性能，从而构建具有类似组织结构的3D微组织。它允许直接构建类器官并微调对组织成熟至关重要的机械力，为微组织提供了必要的指导和微环境，促进了复杂的组织相互作用。

尽管3D生物打印在微组织工程中的应用前景广阔，但目前仍面临一些挑战，包括生物墨水的开发、高分辨率血管化的实现以及打印结构的生物活性和长期稳定性等。   

图1 本综述主要关注点

2. 微组织工程的发展历程
微组织工程的发展历程始于1993年，当时Langer和Vacanti首次展示了组织工程的概念，这一概念随后激发了微组织工程的发展，重点是创建用于精确生物应用的微型功能性组织模型。

传统的组织工程方法通常采用“自上而下”的策略，其中首先使用3D打印和其他技术创建组织工程移植物的结构框架。随后，将高密度种子细胞和生物分子引入预形成的支架中，以生成用于修复受损组织的组织工程移植物。在1995年，用于细胞培养的聚乙二醇（PEG）水凝胶为微组织工程提供了一个多功能的平台，使创建模拟天然组织结构的受控3D环境成为可能，从而进行更准确的细胞行为研究。   

在1998年，随着人类胚胎干细胞的首次建立，它通过提供用于创建复杂功能性组织模型的通用细胞资源来彻底改变微组织工程，从而增强了个性化医学以及对组织发育和疾病的理解。

图2 微组织工程发展历程

3. 生物墨水的选择与开发
生物墨水的选择与开发是3D生物打印中的关键步骤。

理想的生物墨水应具有适当的机械完整性、生物相容性、可调的生物降解性以及支持大规模生产的能力。当前，主要使用的生物墨水包括基于细胞外基质（ECM）的水凝胶和脱细胞ECM（dECM）基水凝胶。这些材料在调节细胞行为、促进组织发育和疾病建模方面显示出巨大潜力。此外，纳米材料和生物活性分子也被整合到生物墨水中，以增强其功能性和打印性能。

尽管已取得显著进展，但生物墨水的标准化和优化仍然是该领域面临的重要挑战，需要进一步的研究来改善生物墨水的打印性能和生物相容性。  

图3 生物墨水开发的基本步骤

4. 3D生物打印策略与关键技术
3D生物打印策略与关键技术涉及多种打印方法和凝胶化技术。

常见的3D生物打印策略包括激光辅助生物打印、立体光刻、喷墨生物打印和微挤压打印等。每种策略都有其特定的应用场景和优势，例如激光辅助生物打印能够实现高精度的材料沉积，而微挤压打印则适用于大规模生产。凝胶化方法如光引发聚合、热凝胶化、超声凝胶化和物理凝胶化等，对于形成稳定的3D结构至关重要。这些技术的优化对于提高打印分辨率、细胞存活率和组织功能具有重要意义。

此外，打印参数如生物墨水粘度、打印速度和能量输入等也对打印结果有显著影响，需要精确调控以实现高质量的3D生物打印。

图4 3D生物打印策略

5. 精密微组织工程的应用
精密微组织工程在生物医学领域具有广泛的应用，包括基础细胞研究、疾病建模、高通量药物筛选和再生医学等。

3D生物打印技术能够构建高度仿生的微组织，为研究细胞行为、组织发育和疾病机制提供了强大的工具。在疾病建模方面，3D生物打印能够重现复杂的人体组织微环境，用于模拟各种疾病状态，如癌症、肝脏疾病等，从而支持个性化医疗和药物开发。此外，通过高通量药物筛选，3D生物打印技术能够加速新药发现和评估过程，提高药物研发的效率和准确性。在再生医学领域，3D生物打印技术可用于制造复杂的组织结构和器官，有望实现受损组织的修复和再生。

总之，精密微组织工程的应用前景广阔，有望为医疗健康领域带来革命性的变革。

图5 精密微组织工程的应用

6. 未来展望与挑战
尽管3D生物打印技术在微组织工程中显示出巨大潜力，但该领域仍面临一些挑战。   

首先，生物墨水的开发是一个重要问题，需要研发出具有更好生物相容性和打印性能的生物墨水。其次，实现高分辨率的血管化对于提高打印组织的生存率和功能至关重要，但目前的技术在这一方面还存在不足。此外，打印结构的长期稳定性和生物活性也是需要解决的问题。为了应对这些挑战，需要多学科的合作，包括材料科学、生物学和工程学等。

未来，随着技术的不断进步和创新，3D生物打印技术有望在个性化医疗、再生医学和药物开发等领域发挥更大的作用，为医疗健康领域带来革命性的变革。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202403781