3D生物打印技术在增强类器官工程中的最新进展

类器官（Organoids）作为一种能够模拟人体器官结构与功能的三维培养系统，近年来在模拟人类病理生理学的研究中引起了广泛关注。类器官通常来源于具备自我更新和分化能力的多能干细胞或组织来源的祖细胞。与传统的二维培养系统和动物模型相比，类器官在基因与蛋白质的表达、代谢功能及微观组织结构等方面更为接近天然器官，因此被认为是更理想的体外模型。

尽管类器官技术具有诸多优点，但在构建与培养方面仍面临显著挑战。例如，手动传代与培养过程既耗时又成本高昂；由于缺乏免疫系统与血管系统，作为微型三维结构的类器官在复杂性上无法与天然组织相提并论；将类器官与组织工程支架整合或组装存在一定困难；此外，在药物开发过程中，利用高通量技术进行大规模生产和应用依旧十分复杂。

3D生物打印作为一种新兴的生物增材制造技术，现已广泛应用于骨骼、心脏、皮肤、肝脏、大脑、肠道及胰腺等组织工程领域。3D生物打印利用生物墨水（由活细胞与支撑材料如水凝胶的混合物）通过在三维空间中精确沉积与组装细胞及生物材料，以构建复杂结构。通过调整生物打印参数，可以实现生物墨水的精准空间沉积，而程序化的计算机辅助自动化操作则使得3D生物打印具备操作步骤的可重复性及多个打印对象的批量生产能力。

这些优势使得3D生物打印有潜力通过按照既定程序在预定位置打印各种生物材料或细胞，从而构建异质细胞微环境，进而促进当前类器官培养技术的发展。根据3D生物打印与类器官形成的顺序，3D生物打印在类器官培养中发挥着不同的作用。在类器官培养之前，可以利用3D生物打印构建具有特殊通道或腔室的培养板，以便于信号传导或实现可灌注结构。高密度生物打印含细胞的生物墨水能促进细胞的自组装与类器官的成熟。而在类器官形成后，生物打印则包括构建不同细胞相互作用的分层结构、血管网络，以及专门设计的建构模块，以诱导形态发生、结构极化和类器官的功能成熟。

近期，重庆大学崔海军、崔海涛发布在Advanced healthcare materials期刊，题为Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering的综述旨在介绍近期3D生物打印技术在增强类器官工程中的最新发展。

主要内容
1) 用于类器官三维生物打印的技术及其优缺点：该研究系统地总结了多种生物打印技术，包括挤出式生物打印、基于液滴的生物打印、立体光刻、数字光处理、体积式生物打印、磁辅助生物打印和抽吸辅助生物打印。对于每种技术，研究深入探讨了其优点（例如，挤出式生物打印具备良好的通用性和大规模打印能力，立体光刻则以其高分辨率和多样的材料选择而著称）、局限性（如材料的限制、打印速度较慢等）以及适用的类器官类型。这为研究人员在选择合适的生物打印技术时提供了重要的参考依据。

图1 可用的类器官3D生物打印技术及其优缺点和应用

2）改进的生物打印技术促进了类器官的进展：本研究探讨了从细胞来源到最终功能之间的完整工作流程，涵盖了精确定位、逐层沉积、微环境构建、高通量生产以及空间定位等多个关键功能。这些技术的综合应用使得类器官的制备过程更加标准化且更具可控性。

图2 改进的类器官的生物打印方法

3）用于类器官生物打印的生物墨水：本研究探讨了多种常用的天然材料（例如海藻酸盐、透明质酸及胶原蛋白）与合成材料（如GelMA和PEGDA）的化学结构及其特性。这些材料的选择对成功构建类器官具有重要意义。

图3 用于类器官生物打印的生物墨水

4）高细胞密度生物打印中形成基于纤维的细胞聚集体的过程：本研究通过优化生物墨水的配方及打印参数，达成了细胞的高密度排列，进而增强了细胞之间的相互作用。特别地，在包埋浴中加入水后，可以将黄原胶的粘度稀释至水的水平，这样在没有添加相应酶的情况下，便能够轻松提取出打印的结构。

图4 高密度细胞生物打印形成纤维基细胞聚集物

5）利用精确沉积技术构建复杂的类器官结构：三维生物打印在制作管道、柱体、腔体以及微结构等组件方面展现出显著的潜力。通过增加空间约束，能够有效诱导类器官的形态发生与生理成熟。此外，通过对生物材料的空间分布进行精确控制，可以实现特定的几何形状和细胞排列。

图5 利用精确的沉积物来创造复杂的类器官结构

6) 自动化与高通量技术在类器官培养标准化中的应用：三维生物打印被认为是一种有潜力的方法，旨在提升类器官的重现性，同时加速标准化及药物筛选的周期。已有研究致力于开发自动化类器官平台，以解决器官培养中的效率和标准化问题。研究人员结合了微流控技术与三维打印，利用3D微流体液滴打印机将由细胞和基质凝胶组成的类器官前体打印至96孔板中，该平台能够在一周内生成超过400微米的类器官，展现出器官间的一致性与患者间的多样性。同样，三维打印技术与微流控技术的结合，使得在384孔板上实现高通量类器官打印成为可能，仅需使用5微升的生物墨水。

图6 实现自动化和高通量，以标准化类器官培养

7）骨骼、肝脏及心脏类器官的三维生物打印应用实例：通过特定的打印策略与材料选择，实现了这些复杂器官的体外重建。利用三维生物打印技术和硅酸钙（CS）纳米线，提升了受神经支配的骨类器官的形状保真度，并同时促进了成骨与神经发生。借助计算机辅助设计（CAD）及自动化技术，三维打印技术为肝类器官提供了个性化药物测试、肝再生及肝脏疾病模型等病理生理学分析的显著优势。此外，该技术还为心脏类器官的构建提供了一种通用解决方案，包括几何结构、血管化及高效生产等方面。

图7 骨、肝脏和心脏类器官的3D生物打印

8) 研究团队通过对打印参数和材料配方的优化，成功实现了消化系统类器官的生物打印，这些器官具备特定的功能性结构。

图8 肠道和肾脏类器官的3D生物打印

9）癌症类器官及其组装体的构建过程：通过将多种细胞类型与生物材料相结合，实现了肿瘤微环境的体外重建。生物打印技术使得复制肿瘤微环境成为可能，并有望建立体外的临床前肿瘤模型，这对于高通量及个性化药物筛选具有重要意义。

图9 癌症类器官和集合体的三维生物打印

10）一体化平台及通用生物墨水系统的演变趋势：本研究探讨了未来类器官生物打印技术的关键发展方向。通过调整一系列参数，整合这些打印功能有望将有机培养过程简化为一系列易于控制的程序指令。所设计的一体化平台预期能够有效缩短类器官培养与三维生物打印之间的距离。此外，具有可调节物理化学特性与生物活性的合成水凝胶能够模拟多种组织的细胞外基质（ECM）特性，极有可能成为类器官三维生物打印的理想通用生物墨水。

图10 在一个一体化的平台和通用的生物墨水系统中出现的趋势

总结
综上所述，本综述概述了用于类器官的主要生物打印技术及材料，尤其强调了将三维生物打印与类器官结合所带来的潜在优势。这些优势主要体现在实现高细胞密度以形成大规模细胞聚集体、精确沉积构建模块以构建具备复杂结构和功能的类器官，以及自动化和高通量技术的应用，以保障类器官培养过程的重复性和标准化。

参考文献
Hu Y, Zhu T, Cui H, Cui H. Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering. Adv Healthc Mater. 2024 Dec 8:e2403762. doi: 10.1002/adhm.202403762. Epub ahead of print. PMID: 39648636.