3D生物打印技术的发展与展望
作者：范德增
来源：《新材料产业》 2017年第11期
    3D生物打印技术（3Db i o p r i n t i n g）是3D打印技术（即增材制造）的重要分支，是指按照增材制造原理，实现生物材料和“生物墨水”受控累积组装，从而制造医疗器械或辅助器具、组织工程支架、组织器官甚至生命体等的快速成型技术。30年来随着技术的进步与成熟，在生物医疗领域成功打印了包括体外模型、手术导板、骨/软骨、牙齿、气管、血管、眼球、汗腺、甚至肝肾心脏单元等，较好地模拟人体结构、环境与功能，并朝微环境、微结构、微循环和系统统一协调方向发展。据统计，全球超过3万名患者使用了打印骨骼植入物，美国Invisalign已销售超过200万个定制打印牙套，西门子、瑞声达等打印助听器已成为主流产品。
    一、3D 生物打印的主要技术种类
    3D打印根据不同的打印材料性质、不同的累积方式存在数十种不同的技术和相应设备，主要包括以高分子化学或光敏聚合、以粘合剂粘合、以激光、电子束、微波等提供热源烧结或熔化、挤出或喷射、平面平铺或层压、及以凝血等生化机制等技术路线，但至今尚无统一分类标准。目前，生物医用领域应用较多的
主要包括光固化立体印刷（S L A）、熔融沉积成型（F DM）、选择性激光烧结（S L S）、三维喷印（3D P）、细胞打印技术等。
    二、3D 生物打印技应用发展
    按产品复杂程度和打印难度，Hod Lipson提出了“3D打印生命阶梯”的概念[1] （图1）。
    据英国皇家工程院预测，2013－2018年生物医用植入物技术逐渐走向成熟；2013-2022年原位i n - s i t u生物制造技术开始出现并逐渐成熟；2013-2032年，3D打印完整人体器官渐入佳境[2]。
3d打印未来发展方向    1. 体外器官模型、仿生模型制造
    用于术前诊断、手术策划和预演，为诊断和提供立体直观、可触摸的信息，便于医、工、患之间沟通，缩短手术时间、降低手术费用，有效提高诊疗水平。
    2. 手术导板、假肢设计
    根据采集的个体数据，为患者量身订制手术导板和个性化假肢等器具，可提高手术效率和精确度；提升假肢设计和制作水平。
    3. 个性化植入体制造
    患者受损组织器官有大量个性定制需求，如颅骨、颌骨、鼻骨、下肢骨、脊椎、髋骨等，特别是整容塑形领。3D打印可实现精确复制受损部位形状并恢复其功能。作为全球临床首例3D打印移植物，2011年荷兰医生为83岁妇女安装了3D打印技术打印金属下颌骨。
    4. 组织工程支架制造
    利用3D打印可设计和制备具有同天然组织类似的材料组成和显微结构，赋予高度的生物活性和增殖、修复能力的组织工程支架。
    5. 药物筛选生物模型和药物打印
    药物筛选需要对不同化合物的生理活性、药物毒性做大规模横向比较，生物打印技术制造药物病理模型、人造器官、以及人体器官芯片（甚至人体芯片）可避免大规模动物实验和人体实验带来的伦理、时间和费用问题，在短时间内大规模、高通量筛选新型高效药物。通过3D打印技术实现多种材料精确成型和局部微细结构，从而实现一种或多种药物同时精确控制释放。2016年Aprecia宣布第一个利用3D打印技术平台“Zipdose”制造的癫痫病药物S P R I T A M上市。
    6. 活性组织及器官打印
    通过细胞三维控制组装及后期的处理和培养，实现对于微环境、微结构和功能的模拟，逐渐融入全身
循环系统并具备感知功能，最终实现组织与器官的原位打印和构建完整的生命体。
    三、3D 生物打印用材料
    3D生物打印材料分为细胞（c e l l）和非细胞（no n - c e l l）打印材料。打印材料严重影响和制约3D生物打印技术的发展与应用，主要包括材料的生物相容性、生物响应性、降解性能、力学性质等。打印前准备策划、打印中及打印后处理过程中要最低限度的损伤表面或内部细胞、保持成型材料的生物相容性并保证其活性和存活率。目前3D打印产品尚不能实现理想供血并融合入人体血液循环系统，而未来打印具有感知能力的组织和器官还有较长的路要走。
    1. 医用金属材料
    3D打印金属材料主要包括纯钛及钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。金属熔融温度较高，打印难度较大，常采用S L A和S L S方式。郭征等打印出锁骨和肩胛骨钛合金植入假体并成功植入骨肿瘤患者体内。刘静等利用低熔点液态金属Ga67In20.5Sn12.5结合微创手术直接在目标组织处注射成型电子器件[3]。
    2. 医用无机非金属材料
    3D打印技术解决了形状或内部结构复杂部件需用精密模具成型的难题，生物陶瓷、生物玻璃、氧化物
、石墨烯等在3D打印骨替代品、美容整形，口腔、矫形假体、康复器具等领域有着广泛应用前景。
    3. 医用高分子材料
    目前，生物医用高分子材料的开发从在分子水平上设计合成具有特殊功能的高聚物，向合成具有主动刺激诱导损伤组织再生修复的生物活性材料方向发展。医用高分子可适用于多种打印模式，应用最多的是F D M和S L A。F D M使用天然高分子材料（包括藻酸盐、胶原、纤维蛋白原、明胶、细胞外基质、琼脂糖、葡聚糖、葡萄糖、蔗糖、壳聚糖等）、合成高分子材料〔如聚乳酸（P L A）、聚乙二醇（P E G）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯（P E T G）、聚-酯（P H B）、聚-羟基戊酸酯（P H BV）、聚丁二酸-丁二醇酯（P B S）、聚己内酯（PCL）等〕、热塑性高分子材料（如PC、ABS-M30i、尼龙、PEEK等）。SLA则采用液体光敏树脂。
    H u t m a t e r等利用F D M技术以P C L制备了内部贯通的可降解多孔组织工程支架[4,5]。T e o h等基于P C L制备骨软骨复合支架[6]。H e n n i n k等制备了羟甲基乙交酯（H M G）与ε－C L的共聚物（P H M G C L）支架可促进人间充质干细胞存活和增殖及成骨分化[7,8]。
    通过S L S技术，D a s等以P C L制备了力学性质达到或接近人松质骨的可降解多孔猪下颌髁突支架，实现与动物骨组织结合良好[9]。D a v i dA.Zopf以PCL制备了可生物吸收气管支架并成功长期植入局部支气管软化症患儿体内[10]。加入氯化钠等造孔剂，可获得高孔隙率的3D支架材料[11]。P C L三维支架
用于制备具有多层同心环结构的圆柱型药物控制释放器件，增加同心环数目可抑制模型药物初期的突释行为[12]。
    4. 复合生物材料
    3D打印技术可将多种材料复合、共混、杂化，各组分间取长补短。复合生物材料性能具有广谱的可调性，弥补了单一材料应用中的不足。但将理化性质差异较大的材料进行融合、将组合优势最大化是目前研究的热点之一。
    P C L、P L G A聚酯原料中加入磷酸三钙（T C P）后，能促进细胞增殖与成骨分化[13-17]。通过3D P技术，S h e r w o o d等制备了双层结构软骨－骨复合支架[18]。W a n g等制备了人近端股骨髁多孔P H B V -磷酸钙生物陶瓷复合支架，引入r h B M P -2并进行肝素表面修饰，促进细胞碱性磷酸酶活性和成骨分化效果显著[19]。Feinberg等利用冠状动脉MRI影像及胚胎心脏3D图像，将胶原蛋白、海藻酸盐和纤维蛋白等软材料，以较高的分辨率和质量打印成无生物活性的动脉等[20]。
    5. 细胞打印材料
    生物3D打印所需的“生物墨水”由医用水凝胶、生物交联剂、活细胞共同组成。多能干细胞、软骨细胞、表皮细胞、纤维原细胞、肝细胞、角质细胞、间充质干细胞、平滑肌细胞、上皮细胞、心肌祖细胞等见于报道。
    以聚乙二醇二丙烯酸酯（P E G－D A）或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（P E G－D M A）水溶液与含有细胞的培养液混合，形成可光固化高分子／细胞水凝胶[21-23]。引入R G D等生物活性分子修饰的共聚单体可提高水凝胶骨架与细胞间的相互作用[24]。
    生物原位凝胶成型技术也被用于3D细胞打印。将藻酸盐/细胞混合溶液打印成型，浸泡于C a C l2溶液形成稳定的凝胶网络[25,26]。依照凝血原理，将含细胞的凝血酶喷入纤维蛋白原基质中形成纤维蛋白支架[27]。将含细胞胶原在较低p H条件下打印后升高pH则发生凝胶化。Y oo等制备了高细胞活性的双层细胞支架[28]。薛世华等实现了人牙髓细胞（h D P C s）—海藻酸钠—明胶共混物生物打印三维结构体，存活率达到87%±2%[29]。
    3D打印人体器官发展迅速。从2013年人类胚胎干细胞h E S Cs首次用于3D打印[30]，同年美国康奈尔大学，成功打印出了人体耳廓[31]；M a n n o o r等提出了3D打印兼具生物和纳米电子功能的仿生耳[32]；剑桥大学打印出人工视网膜；Jennifer Lewis等成功创建出肾小管，一定程度上可代替生物捐献肾脏；C h e n等用诱导多功能干细胞（i P S C s）、诱导脂肪源干细胞和脐静脉内皮细胞联合打印人工肝。
    细胞打印机技术不断推陈出新。2016年用“集成型组织— 器官打印机（Integrated Tissue-OrganPrinter，ITOP）”制造出人类真实大小的器官和组织并移植到老鼠体内长时间存活且逐渐“融入”周
围组织。2016年NanoDimension将公司喷墨技术与Accellta的干细胞悬浮技术和诱导分化功能结合，提高3D打印分辨率和高容量。Wallace等开发了类似自来水笔的“3Do o d l e r”打印机，可将藻酸盐和干细胞组成的“生物墨水”喷在骨头上并在紫外光照下固化。
    四、3D 生物打印产业发展现状
    3D生物打印技术使用异质材料、功能梯度材料及多尺度材料，打印各种空心、多孔、网格等结构与构造，打印精度可达≤ 0.1mm，在个性化医疗和模拟人体组织器官结构功能方面具有明显优势。世界范围看，2015Who l e r s报告显示，2014年增材制造下游应用领域医疗行业的占比为13.1%，仅次于消费电子、汽车与航空航天领域。2014年包括颅骨、髋骨、膝盖和脊柱等超过20项3D打印植入物获得FDA批准，已有10万多个髋关节植入物进行生产，并约有5万个应用到病人身上。根据Smar Tech Markets的研究预测，2015年，牙科与医学领域的3D打印市场规模可达到14.08亿美元，2020年有望达到45.44亿美元。