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生物3D打印技術(shù)是一種利用三維打印的方法來構(gòu)建具有生物活性的組織或器官的技術(shù)。通過3D生物打印機(jī)，以生物墨水為“建筑材料”，逐層堆疊，構(gòu)建出模擬人體組織的細(xì)胞支架。這種技術(shù)的核心在于將活細(xì)胞接種入支架，使其在體外生長，最終形成功能性組織。

3D生物打印的概念最早于2003年在美國提出專利申請(qǐng)，并于2006年正式獲得授權(quán)，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)正式進(jìn)入人們的視野。

（圖片來源：https://www.sigmaaldrich.com/HK/zh/technical-documents/technical-article/cell-culture-and-cell-culture-analysis/3d-cell-culture/3d-bioprinting-bioinks?srsltid=AfmBOoo0Iav8AAIKVYCMnsYnbhkQxubdwYY-mx2oJPRJR8aqVb9n8EFH）

生物3D打印技術(shù)的原理

● 生物墨水：生物墨水是生物3D打印的核心。它包含活細(xì)胞、生長因子和生物聚合物?；罴?xì)胞是構(gòu)建組織的基本單位，生長因子能刺激細(xì)胞生長，而生物聚合物則為細(xì)胞提供一個(gè)三維的支架，幫助細(xì)胞附著和生長。

● 層狀堆積：3D生物打印機(jī)通過逐層堆疊生物墨水，就像蓋房子一樣，一層一層地搭建起復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。每一層都按照預(yù)先設(shè)計(jì)的3D模型進(jìn)行精確堆疊。

● 細(xì)胞生長：打印完成后，細(xì)胞在生物墨水中繼續(xù)生長和分化，形成具有特定功能的組織或器官。

（圖片來源：https://www.mdpi.com/1422-0067/23/15/8589）

常見的生物打印平臺(tái)

● 噴墨式生物打印

(圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/nkjet-bioprinting-process_fig2_365090320)

這種技術(shù)通過精確控制液滴的形成和沉積來實(shí)現(xiàn)生物墨水的3D構(gòu)造。液滴的生成通常依賴于熱效應(yīng)或者壓電元件施加的壓力變化。當(dāng)一個(gè)脈沖作用于噴嘴時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部壓力迅速增加，從而擠出一個(gè)微小的液滴。這種方法適用于對(duì)溫度敏感性較低且具有適當(dāng)粘度的生物墨水。

● 擠出式生物打印

（圖片來源：https://www.researchgate.net/publication/370803300_3D_bioprinting_in_the_era_of_4th_industrial_revolution_-_insights_advanced_applications_and_future_prospects）

生物墨水被以細(xì)絲的形式從一個(gè)或多個(gè)噴嘴擠出，按照預(yù)定路徑逐層堆積成三維結(jié)構(gòu)。擠出過程可以通過氣動(dòng)壓力、活塞推進(jìn)或者螺桿驅(qū)動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)。擠出式打印適合處理較稠的生物墨水，而且可以更好地保持細(xì)胞活力，因?yàn)榧?xì)胞受到的剪切力相對(duì)較小。

● 激光輔助生物打印

激光輔助生物打?。↙AB）是一種高精度細(xì)胞打印技術(shù)，通過將脈沖激光聚焦于一個(gè)涂有金屬吸收層和生物墨水的透明色帶上來工作。當(dāng)激光脈沖照射到吸收層時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)在生物墨水層中迅速形成空化氣泡，氣泡的膨脹和塌陷產(chǎn)生射流，推動(dòng)微小的生物墨水滴精確地轉(zhuǎn)移到對(duì)面的接收基板（圖片中顯示的是小鼠顱骨上的骨缺損）上，如組織支架或活體內(nèi)的缺陷部位。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞的高存活率和圖案化的精細(xì)打印，特別適合用于需要高分辨率和高細(xì)胞存活率的應(yīng)用場(chǎng)景。

未來展望

生物3D打印雖然前景廣闊，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如生物墨水的開發(fā)、大尺寸組織的血管化以及免疫排斥等問題。

盡管如此，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，生物3D打印將在不久的將來克服這些困難，為再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療帶來革命性的變化，最終為人類健康做出巨大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

【1】Salg, G.A.; Blaeser, A.; Gerhardus, J.S.; Hackert, T.; Kenngott, H.G. Vascularization in Bioartificial Parenchymal Tissue: Bioink and Bioprinting Strategies. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 8589.

【2】Keriquel, Virginie & Oliveira, Hugo & Murielle, Remy & Ziane, Sophia & Delmond, Samantha & Rousseau, Benoît & Rey, Sylvie & Catros, Sylvain & Amédée, Joelle & Guillemot, Fabien & Fricain, jean christophe. (2017). In situ printing of mesenchymal stromal cells, by laser-assisted bioprinting, for in vivo bone regeneration applications. Scientific Reports. 7. 10.1038/s41598-017-01914-x.