3D生物打印技术作为近年来热门科技领域，正以前所未有的速度改变着医疗与生命科学的面貌。

源起进表示，这项融合了生物学、材料科学、工程学等多学科知识的前沿技术，通过逐层堆积生物材料和细胞，能够精确制造出具有复杂结构和功能的组织与器官模型，为众多领域带来了革命性的突破。

利用3D打印模型模拟复杂手术过程有助于制定最优手术方案并提高手术成功率。通过定制化3D打印技术还可以将传感器或药物释放系统集成到医疗器械中，提高监测和治疗效果。

3D生物打印应用——软骨组织工程

关节软骨自上而下含水率逐渐降低，蛋白多糖以及钙化程度逐渐升高，这种强的层次递进性，使关节软骨具有独特的生物学特性和结构复杂性。3D生物打印逐层组装的特点使种子细胞、生物活性因子和生物材料在三维空间中可以精准排列分布。软骨损伤的同时往往伴有软骨下骨的损伤，3D生物打印可用于制造具有细胞梯度及排列结构的软骨支架，在构建双相及多相仿生支架时具有优势。

常见的软骨支架可分为离散型仿生支架和连续型仿生支架，离散型仿生支架又可分为单相支架、双相支架和多相支架等。单相支架由一种或多种材料制备而成，具有相同结构、成分、力学属性，单一的孔径率和机械性能无法满足关节软骨渐变的组织结构和功能变化的要求。双相支架通常具有软骨相和骨相2层结构，各分层在成分、结构、力学性能上更加接近软骨组织结构，一定程度上构建软骨-骨一体化修复。

双相软骨支架缺少钙化软骨层，且支架置入后有支架断裂等并发症，所以三相及多相支架在软骨-骨一体化修复中有更大优势。三相及多相支架能够更好地模拟出天然软骨的分层结构及力学性能上的变化，构建出理想的仿生软骨。相较于离散型骨软骨支架，连续型仿生软骨支架显著降低了支架分离等并发症的发生，可将各层成分、结构、力学性能逐渐平稳过渡，通过一体化构造增强了支架的稳定性。

已经通过3D生物打印获得了软骨(关节软骨、半月板、椎间盘、耳廓、鼻)的三维模型和支架，但在制备各向异性软骨的功能构建体方面仍存在一些挑战。由于关节软骨、半月板和椎间盘位于人体的承重部位，因此软骨支架需要具备一定机械强度。耳廓、鼻等软骨为防止植入后的吸收、变性和钙化，不仅需要一定弹性，也需要一定机械强度。在组织再生和修复期间，组分的区域梯度(如不同的细胞和生物活性分子)和结构区域梯度(如不同的孔径、微结构和材料硬度)影响细胞增殖、迁移和分化，以及构建体的机械性能。

3D生物打印在制备复杂形状和多种细胞类型的耳廓软骨支架中广泛应用。通常采用混合细胞的生物墨水，直接打印出均匀分布细胞的支架，植入时能够保持形状，并以与软骨形成速度相匹配的速度降解，模拟真实的耳廓结构，以获得满意的耳廓外观及功能。3D生物打印目标是利用支架材料模拟细胞外基质，并将细胞精准分布在支架中，从而构建与正常耳廓组成、结构及功能相似的活性组织。

根据打印目标组织不同，生物墨水选择、细胞种类筛选以及支架结构设计均有所差异。常用于制备生物墨水的生物材料包括甲基丙烯酸明胶(methacrylatedgelalin，GelMA)、海藻酸钠和透明质酸等，GelMA因具有优异的力学性能、生物相容性和抗菌能力已获得广泛研究。目前3D生物打印相关研究主要是动物实验，临床研究较少。

3D生物打印应用——肝组织模型构建

3D生物打印所构建的肝组织模型只进行了少量的动物体内移植实验，离完整人体肝脏再造与移植仍有很长距离。受限于当前打印技术的精度与分辨率，仍无法完全精确重建肝组织的微结构，且血管、胆管等重要功能性结构的构建及整合还存在不足。打印模型的力学性能通常较差，缺乏足够的机械强度及结构稳定性。

目前构建的肝组织模型与可供移植的肝脏相比尺寸偏小，需要进一步扩大模型尺寸，可以通过模块化组织工程来实现，即组装成熟的3D生物打印功能单元以构建大尺寸的组织模型。

3D生物打印应用——肾脏

肾脏生物打印技术多数采用挤出式生物打印(extrusion-basedbioprinting，EBB)作为主要方法。EBB通常用于分层沉积生物材料墨水或生物墨水的长丝，由分配头(例如注射器、喷嘴和压力系统)以及自动化三轴机器人系统组成。打印过程中，墨水通过气压或机械位移来定3D结构。打印的结构可以通过离子、光和热交联机制进一步稳定，这使得几乎任何类型的生物墨水都能够应用于EBB。

图| 目前所开发的生物打印肾脏组织模型

生物打印的肾脏模型中，选择合适的细胞类型是一个主要挑战，通常使用两种主要类型的细胞群，即上皮细胞和内皮细胞, 以模拟肾PT及其周围血管系统的复杂交换。使用人类原代细胞是建立相关模型的最接近方法，但这些细胞只能从器官中分离。有多种方法可以实现胚胎或诱导性多能干细胞向肾祖细胞或肾类器官的分化，但干细胞在生物打印过程中和植入后可能会发生表型变化。

开发能够模仿天然ECM的化学成分和物理特性的可打印生物材料是主要挑战。dECM的应用是模拟ECM多样性的最有前途的方向之一，但与合成聚合物相比，dECM通常具有较差的机械性能，限制了在泌尿外科组织工程中的应用。

一些研究通过添加微血管来改善各种体外肾脏模型，但在高度仿生的血管系统生物制造方面仍存在挑战。实现全面仿真器官中的自然血管网络不仅要求血管具有足够的尺寸精度，还需要确保血管系统的空间分布与解部结构相似。如果没有足够的血管化，所构建的3D器官将无法获得足够的营养、气体交换和代谢废物的排泄，这些对于细胞增殖、相互作用以及随后的器官成熟至关重要。

3D生物打印应用——皮肤

3D生物打印皮肤涉及再生医学多方面的临床应用，且极大地改变经皮药物研发及递送方式。

(1)再生医学

3D生物打印在组织工程皮肤制备方面具有优势，可根据创面形状和深度，利用计算机扫描成像技术快速打印出与伤口匹配的植皮，具有及时性、高通量重复性高的特点。有多种生物墨水可用，可以灵活、准确地沉积不同的生物制剂(包括活细胞、核酸、生长因子、预明胶化溶液等)，构建组织结构，形态和生理学表现出相似的正常皮肤。利用逐层沉积的原理，可以在伤口表面原位打印皮肤组织。具有互联的孔隙和一定的表面积，支持细胞附着、生长、细胞间通信以及气体和营养物质的交换。

皮肤伤口愈合是一个动态而多阶段的复杂过程，多种因素(如感染、缺氧及过度炎症等)都可能影响伤口修复，应用功能性敷料干预上述不利因素可促进伤口愈合。生物打印技术可调整打印参数来设置敷料的孔隙直径，提高伤口通透性，并可在生物墨水中搭载药物、活性因子，甚至活细胞，以满足临床治疗需求。近期有研究开发出一种生物打印伤口贴片，能缓释人MSC来源的小细胞外囊泡，并且在压疮糖尿病小鼠模型中验证了改善伤口愈合的效果。

(2)化妆品与药物研发

化妆品体外细胞检测方法包括物理化学法、生物化学法、细胞生物学法、三维模型替代法等, 具有经济成本较低、实验周期较短、实验对象相对稳定等特点。生物打印皮肤是进行化妆品及经皮药品筛选的理想工具，能够实现标准化与自动化生产。生物打印方式构建的三维细胞模型, 模仿了人体皮肤的胞外ECM结构，具有通量高、重现性及重复性良好等优点, 而且三维培养条件下的细胞应答准确。在 传统的二维细胞检测方法中, 每一个细胞都直接与受试物密切接触, 且对功效成分产生应答。

但是在实际涂抹化妆品的过程中, 化妆品不会被皮肤中的所有细胞均匀吸收, 而且也不是所有的细胞都能直接与它们相互作用，因此三维细胞模 型对化妆品功效的检测结果更接近于产品本身的真实功效。广东博溪生物科技有限公司以中国人皮肤组织分离出的角质形成细胞和黑素细胞为种子细胞, 开发了三维黑素皮肤模型, 可以对化妆品进行美白功效的评估。已有国际化妆品公司投资3D生物打印皮肤的研发项目。

(3)皮肤局部药物递送

生物打印技术能精准控制药物的释放时间、剂量及空间定位，并实现重复给药，提升治疗效应的同时减少不良反应。生物材料可搭载细胞并递送生物活性分子，利用以上特性可实现生物打印透皮贴剂、微针，将药物或生物活性成分与生物打印基质整合，并根据药物释放曲线将其递送至皮肤受损部位，最终实现皮肤局部屏障修复、感染控制、免疫调节等多靶点治疗。

3D生物打印应用——细胞3D打印

生物3D打印逐渐形成了三类主流技术。挤出式打印具有设备简单、材料选择范围广、可打印复杂结构等优势，受到广泛应用，但打印精度低、打印时间长。喷墨式打印的高精度与高通量优点有助于提高生产效率，但材料适用性小、难以打印复杂三维结构。激光投影式打印是新兴的细胞打印方式，具有精度高、可打印复杂结构等优势，但存在装置复杂、难以打印多组分结构，光固化过程对细胞的潜在影响等问题。基于三类主流的打印方式，生物3D打印领域按照墨水所装载的细胞种类分类，发展出了多个研究领域，最具代表性的是动物细胞打印、植物细胞打印以及微生物细胞打印。

(1)动物细胞

动物细胞3D打印主要以哺乳动物细胞，特别是人源细胞为原材料，进行生物墨水的配制，制造三维仿生组织结构，应用于组织修复再生、体外模型构建以及人造肉生产等领域。

(2)植物细胞

植物细胞3D打印利用植物活细胞制成生物墨水进行打印，以探究细胞与细胞、细胞与生长环境之间的交互作用，在医药生产、食物制造、特殊材料生产等领域具有广阔应用前景。植物仿生结构的打印及植物非细胞成分的打印也受到广泛的关注和研究。

(3)微生物细胞

微生物细胞3D打印是指利用含细菌、真菌、藻类、病毒等微生物的生物墨水，通过不同的生物3D打印技术制造复杂的三维结构。微生物的固定化是其原位发挥作用的前提，个性化、定制化的3D打印制造技术在实现微生物固定的基础上，进一步拓宽了应用场景，应用于例如医药健康和食品生产、微生物合成制造、微生物相互作用机制探索、环境修复等领域。

(4)跨界多细胞共培养

在跨界多细胞共培养3D打印体系中， 由于大部分微生物具有出色的光合自生产的功能，因此目前的尝试多以微生物作为主要行使产物供给的对象，以促进哺乳动物细胞更好的生长或分化。这为未来探索跨界多细胞的复杂生命系统运作的机制以及人造生物空间的构建提供了一种可能的思路。

图|生物3D打印技术及应用概览

3D生物打印应用——制药

药物开发时，通过3D生物打印技术开发生理相关的模型，打印出人体组织的模型，用于模拟药物在人体内的作用和反应，更加准确地评估药物疗效和安全性，加快药物研发进程。3D模型比2D模型在模拟细胞-基质相互作用和细胞空间分布方面能力更好，改善了临床药物试验中的体外和体内相关性。用于定制化药物的制备，根据患者的具体情况，打印出适合其需求的药物，例如可以制造出具有特定结构和释放特性的药物输送系统，提高药物疗效和减少副作用。

依赖计算机辅助的3D生物打印可将肿瘤细胞作为细胞种子，根据研究人员设计的模型精确打印，通过使用生物墨水中的活细胞快速建立具有复杂三维结构的体外“器官”，并能模拟体内的微环境。

3D模型具有更接近肿瘤的复杂环境和结构，包括球形培养3D模型、器官芯片、类器官及生物3D打印模型等。球形培养通过在非附着表面上培养细胞使其自发聚集形成3D球形结构，方法操作简单，一定程度上模拟了肿瘤细胞的反应，但球形培养无法再现组织的复杂结构和功能。器官芯片利用微流控技术将活细胞培养在微型芯片上，优点包括可以控制TME条件，能够模拟复杂生理学过程，但器官芯片制作技术复杂，限制了在药物筛选和大规模生物学研究中的应用。类器官由于高度的生物相关性，应用潜力较高，使用干细胞、原代细胞或肿瘤细胞在特定培养条件下自组织诱导形成具有特异性的细胞结构，能够模仿器官的部分功能和结构。

使用患者来源肿瘤细胞建立3D肿瘤类器官模型，能够反映患者肿瘤的异质性和空间分布，适用于疾病模型、个性化医疗和药物筛选等应用，但在类器官与TME相互作用的研究中，难以控制类器官共培养的不同类型细胞和基质的位置和作用，且类器官生长条件复杂，需要较长的培养周期。生物3D打印技术能控制细胞位置、密度分布及基质构成，构建出能反映细胞-细胞之间、细胞-基质之间相互作用的3D肿瘤模型，相较于其他3D模型建立方法，生物3D打印能够精确控制复杂细胞的空间分布且制作快速、成本较低，更适用于TME相关的肿瘤研究及高通量筛选。基于生物3D打印模型的研究，一方面可以围绕TME对肿瘤生理学进程的影响进行研究，另一方面，肿瘤模型作为相比2D模型更具有临床相关性的体外模型，可以应用于药物和疗效的研究，还可以通过打印患者来源组织3D模型推动个性化治疗的发展。生物3D打印开发的多功能可植入支架可以辅助化疗、免疫治疗及联合治疗等多种治疗方法，作为癌症治疗的有效方案。

目前普遍认为3D打印在药物研发中的应用还处于初级阶段，但在药物制剂领域所展现出的优势却不容忽视。基于3D打印的释药系统发表的SCI相关论文并不多，但这一技术在药物研发领域的发展速度远超预期。通过3D打印，可以实现药物空间分布的精确控制、释放速率的精准调节以及药物剂量的可控性，有效弥补了传统制药技术的不足，发展前景极为广阔，值得持续关注。3D打印能够经计算机精确设计并打印出壳-核型结构或多层型结构，做成复方药物。药物输送系统中，可以通过3D打印制备具有不同孔径的三维立体药物载体，直接植入支架材料，发挥多重作用，包括促进组织再生、抗炎以及承载和释放药物。

3D打印的分层制造理念，为制造可控释放药物(具有复杂型腔)提供了便利。采用能够发生生物降解的聚合物骨架控制释放，将药物密封或是和聚合物混合，在聚合物逐渐分解的过程中，药物得以稳定而缓慢地释放，实现不间断的药物补充。精确控制药物释放速率，按照患者具体的治疗需求在体内维持药物特定浓度，可以控制药物具体用量以及副作用。

总结与展望

生物3D打印技术应用于组织工程所面临的共性挑战主要包括四个方面，材料、技术、生物功能和伦理法规。急需开发组织特异性生物墨水，除了保持成形性能之外，还要能提供细胞生长所需的合适微环境，适应于不同组织的发育与成熟。需实现制造加工过程的更高打印精度(比如单细胞级别)，多材料共打印，优异的细胞相容性等，是下一代生物3D打印技术的发展方向。

血管化、神经支配以及免疫调控是几乎所有组织都会面临的重要瓶颈问题，如何有效耦合材料和技术，并配合生化因子的调控实现具有神经支配和免疫调控功能的血管化组织，是未来的重要科学问题。

人们对于体外制造的有生命的组织/器官移植入体内依然存在较大的伦理和生物安全性担忧，监管机构也缺少对这类技术和产品的安全性、疗效和风险的评估标准和规范，这间接阻碍了生物3D打印的产品走向临床。