[科普中國]-3D生物打印機(jī)

3D生物打印機(jī)是一種能夠在數(shù)字三維模型驅(qū)動下，按照增材制造原理定位裝配生物材料或細(xì)胞單元，制造醫(yī)療器械、組織工程支架和組織器官等制品的裝備。1

介紹3D生物打印機(jī)是一種能夠在數(shù)字三維模型驅(qū)動下，按照增材制造原理定位裝配生物材料或細(xì)胞單元，制造醫(yī)療器械、組織工程支架和組織器官等制品的裝備。

3D生物打印這一技術(shù)概念最早是由美國Clemson university、University of Missouri、Drexel University等大學(xué)的教授在2000年左右提出，2003年Mironv V和Boland T在Trends in Biotechnology雜志系統(tǒng)提出“器官3D打印”這一概念。12002年左右，清華大學(xué)顏永年教授率先在國內(nèi)開展3D生物打印技術(shù)研究。

2010年Organovo公司推出可以幫助用戶制造生物組織用于研究和開發(fā)的3D生物打印機(jī)。 2014年11月，Organovo推出了其可商用的3D打印人體肝臟組織exVive3DTM，用于臨床前藥物測試。（YAHOO）

2013年8月7日Regenovo公司與杭州電子科技大學(xué)等高校的科學(xué)家合作，成功研制出可同時打印生物材料和活細(xì)胞的3D打印機(jī)。2015年10月10日， Regenovo公司推出第三代生物3D打印工作站。利用這款生物3D打印設(shè)備，成功批量“打印”出肝單元用于藥物篩選。（新華社、人民日報）

2015年10月29日，四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司成功研制出世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)。（人民日報）

功能介紹3D生物打印機(jī)（3D bio-printer；3D biology printer ）是一種能夠在數(shù)字三維模型驅(qū)動下，按照增材制造原理定位裝配生物材料或細(xì)胞單元，制造醫(yī)療器械、組織工程支架和組織器官等制品的裝備。2

器官移植可以拯救很多人體器官功能衰竭或損壞的患者生命，但這項技術(shù)也存在器官來源不足、排異反應(yīng)難以避免等弊端。不過，隨著未來“生物打印機(jī)”的問世，這些問題的解決有了新的技術(shù)手段。

這種機(jī)器首先讀入由醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)重建或設(shè)計的三維模型，將模型離散成多個片層，計算機(jī)控制打印噴頭逐層"打印”打印由生物材料或細(xì)胞組成的“生物墨水”，不斷重復(fù)這一過程，直至打印完成三維組織前體。隨后，細(xì)胞開始重新組織、熔合，形成新的血管等組織結(jié)構(gòu)。

Organovo公司首席執(zhí)行官基思·墨菲在接受《工程師》雜志采訪時指出，最終有一天，只需輕輕按下按鈕，就能讓3D生物打印機(jī)制造出我們所需要的器官。

組成結(jié)構(gòu)3D生物打印機(jī)基于現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明，這些技術(shù)當(dāng)前被用以制造工業(yè)零部件的3D模型。生物打印機(jī)的不同之處在于，它不是利用一層層的塑料，而是利用一層層的生物材料或者細(xì)胞構(gòu)造塊，去制造真正的活體組織

3D生物打印機(jī)可以有多個打印噴頭，噴頭可以打印人體細(xì)胞，被稱為“生物墨”；也可以打印純生物材料，被稱為“生物紙”。所謂生物紙其實(shí)是主要成分是水凝膠，可用作細(xì)胞生長的支架。3D生物打印機(jī)使用來自患者自己身體的細(xì)胞，所以不會產(chǎn)生排異反應(yīng)。

過程3D 生物打印一般有以下三步驟：生物打印前、生物打印中、生物打印后。

生物打印前生物打印前，需要先計劃細(xì)胞支架的結(jié)構(gòu)并選擇打印中會使用到的材質(zhì)。

開始打印前，要先取得患者器官的組織檢體和醫(yī)學(xué)影像。 使用電腦斷層和核磁共振取得患者的醫(yī)學(xué)影像，是最常見的方法。取得影像后，利用軟件將平面的醫(yī)學(xué)影像重建出立體結(jié)構(gòu)，并分離出預(yù)計要培養(yǎng)的細(xì)胞并加以增量后，便完成打印前的準(zhǔn)備。這些細(xì)胞將和液態(tài)的特殊生物材質(zhì)，在細(xì)胞混合器中混合。這種特殊生物材質(zhì)能提供，細(xì)胞生存所需的氧氣與其他營養(yǎng)物質(zhì)。在某些特殊情況，細(xì)胞甚至?xí)环湃胫睆?00微米的小球中，被保護(hù)起來。混入液體凝膠中的細(xì)胞并不需要細(xì)胞支架即可生存。這些細(xì)胞和營養(yǎng)基質(zhì)的混合物將被放入管狀的容器中，在打印的過程被擠壓出來，以形成組織的形狀。

生物打印中生物打印第二步驟，將應(yīng)用到生物墨水。生物墨水指的就是細(xì)胞與維生物質(zhì)混合的液體基質(zhì)，在第二步驟中，生物墨水將被放在生物打印機(jī)的墨水匣中，依照患者的醫(yī)學(xué)影像資料，依序打印。生物打印所制造出來的初始組織物，將被送入細(xì)胞培養(yǎng)器中，慢慢地將充滿細(xì)胞的初始組織培育成真正的組織。

生物打印常常會需要將細(xì)胞平均散布到生物相容的支架上，這些生物相容的支架由積層制造法制造而成，最終形成了立體的組織似的架構(gòu)。生物打印所制造的人工肝臟與人工腎臟，目前仍舊缺乏像是血管或是腎小管等的功能性單位，而且非常難以培育成多細(xì)胞的完整器官。

發(fā)展前景國外2013年5月出版的《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)表公開信，科學(xué)家成功將3D打印出的氣管支架植入嬰兒體內(nèi)。

密歇根大學(xué)安阿伯分校的醫(yī)學(xué)博士大衛(wèi)·措普夫（David A.Zopf）和同事描述了這例移植手術(shù)。接受移植的嬰兒患有局部支氣管軟化癥，手術(shù)中使用的可吸收支架由聚己內(nèi)酯構(gòu)成。

作者指出，患兒母親在妊娠35周產(chǎn)下了這個名叫 Kaiba Gionfriddo 的男嬰，看起來身體健康，但在6個星期后出現(xiàn)胸壁凹陷和呼吸困難。發(fā)生這種情況，意味著在2個月大之前，都需要?dú)夤懿骞?，以維持通氣。因此，他們用計算機(jī)設(shè)計了一個患兒氣管支架的模型，使用熱塑性的生物可吸收材料，通過激光燒結(jié)技術(shù)制造了一個氣管支架。在移植手術(shù)中，依靠支架上的孔洞與氣管進(jìn)行固定。在安置支架7天后，開始逐步撤除機(jī)械通氣機(jī)，并在手術(shù)后21天完全停止呼吸機(jī)支持。一年以后，通過內(nèi)窺鏡造影手術(shù)觀察患兒的左主支氣管，發(fā)現(xiàn)一切正常。到目前為止，沒有發(fā)生過任何支架相關(guān)的問題。

中國媒體2013年8月7日來自杭州電子科技大學(xué)等高校的科學(xué)家自主研發(fā)出一臺生物材料3D打印機(jī)?？茖W(xué)家們使用生物醫(yī)用高分子材料、無機(jī)材料、水凝膠材料或活細(xì)胞，已在這臺打印機(jī)上成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝臟單元等。3

該生物材料3D打印機(jī)研發(fā)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、杭州電子科技大學(xué)教授徐銘恩說，這臺生物材料3D打印機(jī)具有打印生物材料種類多、對細(xì)胞損傷率低、打印精度較高和操作方便等特點(diǎn)。同國際同類打印機(jī)相比，這臺名為“Regenovo”的3D打印機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了無菌條件下的生物材料和細(xì)胞3D打印，而且新型的溫控單元和打印噴頭設(shè)計，能夠支持從－5℃到260℃熔融的多種生物材料打印。

徐銘恩介紹說，“Regenovo”支持活細(xì)胞打印，打印的細(xì)胞有著高達(dá)90%的存活率。目前打印出來的活細(xì)胞存活時間最長為4個月。

不過，從人體細(xì)胞、組織乃至器官被“打印”出來，到真正應(yīng)用于臨床，還有相當(dāng)長一段路需要走。徐銘恩說，這需要多種領(lǐng)域的科學(xué)家通力合作。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李宗秀 - 副教授 - 黑龍江財經(jīng)學(xué)院