3D打印在組織工程中的應(yīng)用

摘 要 3D打印是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)斷層掃描（ CT） 或 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD） 模型等數(shù)據(jù)，通過(guò)材料的精確3D 堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀3D 物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。這些打印機(jī)的用途包括打印模型、零件和玩具。3D打印機(jī)也被開(kāi)發(fā)用于醫(yī)療應(yīng)用，雖然醫(yī)療打印滯后于3D打印的其他用途，但它有潛力在未來(lái)十年從根本上改變醫(yī)學(xué)的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 3D打印 組織工程

中圖分類(lèi)號(hào)：R319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近些年來(lái)，3D打印在各個(gè)領(lǐng)域興起。包括打印骨、皮膚，甚至是完整的器官。根據(jù)工作原理可將3D打印機(jī)分為三類(lèi)：激光輔助生物打印、微擠壓成型生物打印和噴墨生物打印。這三種打印方法在組織工程的運(yùn)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1激光輔助生物打印

激光輔助生物打印是基于激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移原理。初步開(kāi)發(fā)用于轉(zhuǎn)移金屬，現(xiàn)已成功應(yīng)用于生物材料，如肽，DNA和細(xì)胞。典型的激光輔助生物打印裝置由脈沖激光束，聚焦系統(tǒng)，接受基底等部件組成。因?yàn)榧す廨o助生物打印是無(wú)噴嘴的，所以避免了細(xì)胞或材料堵塞的問(wèn)題。激光輔助生物打印擁有粘度兼容性好、打印速度快、細(xì)胞沉積密度高等有點(diǎn)。但激光輔助生物打印不適用與同時(shí)打印多種材料，而且由于在印刷期間金屬激光吸收層的蒸發(fā)，金屬殘留物存在于打印的結(jié)構(gòu)中，容易造成對(duì)最終打印結(jié)構(gòu)的污染。體內(nèi)激光輔助生物打印已經(jīng)用于在小鼠顱蓋3D缺陷模型中沉積納米羥基磷灰石。未來(lái)的研究可能使用生物相容性良好的材料，以便可直接植入患者體內(nèi)。例如定制的非細(xì)胞生物可吸收氣管夾板，其被植入到患有局部氣管支氣管軟化患者中。此外，加入患者自身的細(xì)胞可以提高這些類(lèi)型的構(gòu)建體在組織的結(jié)構(gòu)和功能組分上的適用性。

2微擠壓成型生物打印

微擠出生物打印機(jī)通常包括溫控材料處理系統(tǒng)、分配系統(tǒng)和載物臺(tái)，用于xyz命令和控制的攝像機(jī)，以及壓電加濕器。一些系統(tǒng)使用多個(gè)打印頭來(lái)促進(jìn)幾種材料的串行分配，而無(wú)需重新裝配。在組織工程器官中實(shí)現(xiàn)生理細(xì)胞密度是生物打印領(lǐng)域的主要目標(biāo)。一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)使用僅由細(xì)胞組成的溶液以利用微擠出打印來(lái)創(chuàng)建3D組織構(gòu)建體。微擠壓成型生物打印的優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)打印多種材料、對(duì)細(xì)胞傷害低、對(duì)低粘度兼容性等優(yōu)點(diǎn)。盡管可以使用低壓和大噴嘴尺寸來(lái)維持細(xì)胞活力，但缺點(diǎn)是分辨率和打印速度的下降。對(duì)于微擠出生物打印，研究人員經(jīng)常利用熱交聯(lián)或酶交聯(lián)處理材料。幾種生物相容性材料可在室溫下流動(dòng)，使得其可以和其他生物成分一起擠出，但在體溫下交聯(lián)成穩(wěn)定的材料。一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)使用僅由細(xì)胞組成的溶液以利用微擠出打印來(lái)創(chuàng)建3D組織構(gòu)建體。目前微擠出生物打印機(jī)已經(jīng)用于制造多種組織類(lèi)型，包括主動(dòng)脈瓣膜，外周血管以及腫瘤模型。

3噴墨生物打印

噴墨生物打印是市售的基于2D油墨的打印機(jī)的改進(jìn)版本，是常用的，打印成本較低的一種技術(shù)。目前主要有加熱打印頭和聲學(xué)打印頭兩種。熱噴墨打印機(jī)通過(guò)電加熱打印頭產(chǎn)生壓力脈沖，從而迫使墨滴從噴嘴噴出。已有研究證明局部加熱（200℃至300℃的范圍內(nèi)）對(duì)生物分子的穩(wěn)定性、生物材料的機(jī)械性能和哺乳動(dòng)物細(xì)胞功能沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響。熱噴墨打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括高打印速度、低成本和廣泛的可用性。然而，將細(xì)胞和材料暴露于熱和機(jī)械應(yīng)力、較差的液滴方向可控性，液滴尺寸不均勻行、噴嘴頻繁堵塞和不可靠的細(xì)胞封裝的風(fēng)險(xiǎn)限制了噴墨生物打印在組織工程中的運(yùn)用。聲學(xué)噴墨打印機(jī)包含壓電晶體，其在打印頭內(nèi)部產(chǎn)生聲波，將液體以規(guī)則的間隔破碎成液滴?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)超聲參數(shù)，例如脈沖、持續(xù)時(shí)間和振幅，以控制液滴的尺寸和噴射速率。聲學(xué)噴墨打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括產(chǎn)生和控制均勻的液滴尺寸和噴射方向性以及避免細(xì)胞暴露于熱和壓力等環(huán)境。噴墨生物打印方法的實(shí)例包括原位再生功能性皮膚物相容性化學(xué)反應(yīng)或光引發(fā)劑實(shí)現(xiàn)含細(xì)胞材料的快速交聯(lián)。噴墨生物打印方法促進(jìn)原代細(xì)胞或干細(xì)胞在病灶中均勻的沉積，并且在印刷后維持高細(xì)胞活力和功能。這些研究表明噴墨生物打印方法打印再生功能結(jié)構(gòu)的潛力。

4 3D打印的前景

3D打印從出現(xiàn)到興起再到大規(guī)模的運(yùn)用僅僅用了十來(lái)年的時(shí)間，足以見(jiàn)得3D打印的巨大潛力。未來(lái)，通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的、個(gè)性化的移植器官定制將不是夢(mèng)想。

作者簡(jiǎn)介：王文斌，出生于1990.11，男，福建福鼎人，2014年就讀于中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)。

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