3D生物打印及疾病治疗应用

2022年11月底，OpenAI的CEO Altman 在推特上宣布：“今天我们推出了ChatGPT，尝试在这里与它交谈。”

短短几个月时间，ChatGPT席卷全球，日前用户数量已经突破1亿，每日咨询量超2亿多次，彻底引爆了人工智能产业。曾几何时，“3D生物打印”也是这样的光景，人们趋之若鹜，各界人士广泛关注。

今天我们就来看看曾经的“3D生物打印”，通过下面这篇文章了解一下，3D生物打印的材料、技术，以及它在疾病治疗中的应用前景。这篇文章题目为《3D生物打印在疾病治疗中的应用，Application of 3D bioprinting in the prevention and the therapy for human diseases》，发表于2021年，刊登在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy期刊上。

为了应对新型病原体和传染病、加速药物发现，人们利用先进技术开发新型治疗药物，寻找有效治疗方法。

3D生物打印就是其中之一，它包罗万象、功能多样，不仅能构建高度仿生的传染病体外模型，而且在制备疫苗、药物，以及相关递送系统方面也能发挥特殊优势。

01   3D生物打印材料  

在3D生物打印中，材料的研究重点在于是否具备良好的机械性能，如何提高材料适用性、粘度，实现快速交联，如何更好的模拟天然组织结构，为3D结构提供几何支撑。同时，在打印过程中，如何避免细胞受损。

1.生物墨水

生物墨水必须能在各种打印条件下通用，不会造成堵塞，确保3D结构稳定，保证每批产品的外形一致。常用的生物墨水材料有聚己内酯(PCL)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其衍生物。这类材料的生物相容性好，对细胞影响小，能为体外模型提供良好的物理支撑。

2.水凝胶生物墨水

水凝胶具有良好的可调节性、生物降解性和生物活性，能够提供一种天然的亲细胞微环境。

通常，用于生物墨水的水凝胶具备以下几个特征：适度的流动性，能快速固化，成型后有足够的完整性。在溶胶-凝胶转变过程中，溶液中的纤维可以通过外部刺激（如温度、光源或离子浓度）进行物理或化学交联，交联通过共价键发生，交联过程中不产生细胞毒性。

天然来源的水凝胶已广泛用作生物墨水，其中就有：藻酸盐、胶原蛋白、明胶、纤维素、丝素蛋白和脱细胞基质（dECM）。

02   3D生物打印技术  

目前，通过计算机辅助设计、计算机辅助制造，各种3D生物打印技术能够创建高仿真的、具备高级功能的3D结构组织。接下来，看看各种不同的生物打印技术和应用场景。

（图2：a:挤压，b:FRESH,c: 微流控芯片，d/e/f:LIFE/SLA/DLP,g:喷墨）

1.挤压生物打印

挤压生物打印，又叫挤出生物打印，是应用最广泛的一种3D生物打印技术。

它通过挤出生物墨水形成连续纤维来搭建结构，分为气动挤出式、活塞挤出式和螺旋挤出式三种（图2a）。这种打印方法的分辨率不高，约为200μm。

缺点是，当喷嘴挤压生物墨水时会产生剪切应力，造成细胞损伤和死亡。因此，打印时需要仔细调整压力、墨水粘度、喷嘴尺寸和形状等，以控制剪切应力参数，确保细胞活力。

另外，还有一种FRESH打印技术（或，悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入），它将低粘度生物墨水分配到颗粒凝胶浴槽中，3D打印和交联同时完成，加速墨水沉积（图2b）。FRESH 打印的分辨率更高，可以使用任何软凝胶生物材料进行生物打印，是目前组织工程师首选的生物打印方式，被广泛用于肌肉、心脏和血管等复杂几何组织构建。

2.光辅助打印

光辅助打印是利用光固化油墨的生物打印技术，主要有三种类型：LIFT、SLA和DLP（图2d/e/f）。

LIFT的优势是可以使用低粘度的生物墨水(1~300 mPa s)，不需要喷嘴，也无需光固化。缺点是当制造1cm3结构时，它需要1m2的供体基质。

SLA生物打印是一种典型的光辅助打印，运用逐层打印来创建3D结构。而DLP则使用计算机控制的动态反射镜阵列，来选择性地投影，同时与2D生物墨水交联。两种方法都可用于制造细微、复杂的几何结构，被广泛用于可灌注血管和毛细血管等亚微米组织的构建。

最近开发的立体光辅助打印技术，同时使用了三个激光束，加快了生物墨水光固化时间，将打印时间从几十秒缩短到几秒。

3.喷墨生物打印

它源自办公室喷墨打印技术，也是首个生物打印（图2g）。

喷墨生物打印分连续、按需两种打印方式，连续喷墨生物打印的分辨率为10至150μm，按需喷墨生物打印分辨率更高，通常为