生物打印組織技術(shù)的研究進(jìn)展

王振勇

（黑龍江省佳木斯大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨一科，黑龍江佳木斯154000）

1 前言

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，始于20世紀(jì)90年代，其基本原理是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的逐層疊加累積制造。3D打印技術(shù)是集計算機(jī)學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及材料科學(xué)為一體的多學(xué)科交叉技術(shù)，近年來發(fā)展比較迅猛。在原有廣義的工程學(xué)打印的基礎(chǔ)上再次引入組織學(xué)、再生醫(yī)學(xué)，細(xì)胞學(xué)等概念可實現(xiàn)生物打印技術(shù)向臨床轉(zhuǎn)化。3D生物打印技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展更為迅速，如人造皮膚1、耳廓、軟骨2、血管3等眾多的組織構(gòu)建。

2 3D生物打印機(jī)

3D生物打印機(jī)是組織工程主要的設(shè)備，目前用于組織工程的3D打印設(shè)備主要包括：a.噴墨式打印機(jī) b.擠出式打印機(jī)c.激光輔助打印機(jī)等4，這三種主要的生物打印機(jī)都其獨特的優(yōu)點和局限性。選擇什么樣的打印機(jī)能夠滿足我們實驗的要求對于我們來說非常重要，下面是我們對每種打印機(jī)主要的優(yōu)缺點進(jìn)行綜述。

2.1 噴墨式打印

噴墨式生物打印機(jī)是一種把打印材料儲備在打印盒中的打印設(shè)備，以液滴的形式進(jìn)行生物打印，打印時通過擠壓的方式以產(chǎn)生可控制尺寸的液滴。其優(yōu)點是打印機(jī)設(shè)備成本較低，打印速度較快，打印細(xì)胞活力可＞85%，但是打印生物材料濃度較低。如果生物材料的密度較高，可導(dǎo)致打印機(jī)噴頭堵塞，打印細(xì)胞密度＜106細(xì)胞/ml.噴墨式生物打印機(jī)所打印材料不能形很好的力學(xué)結(jié)構(gòu)，如需要力學(xué)結(jié)構(gòu)的負(fù)重部位應(yīng)與人工材料相結(jié)合的方式打印。既能保證其力學(xué)結(jié)構(gòu)，也能使細(xì)胞很好的粘附、分化、增殖。

2.2 擠出式打印機(jī)

擠出式生物打印機(jī)實基于噴墨式打印機(jī)的升級版，其主要原理是通過施加一個連續(xù)的動力，而不同于噴墨式打印機(jī)單個動力，其可以擠壓打印出不間斷的連續(xù)線條。對于打印材料的選擇也可以更具多樣化，打印成本要比噴墨式打印機(jī)高，但打印的細(xì)胞活力為45%-80%，遠(yuǎn)低于噴墨式打印機(jī)，其打印生物材料的粘度較高，細(xì)胞密度也比噴墨式打印機(jī)高，打印結(jié)構(gòu)通過交聯(lián)后可以很好的保持其原有形狀。

2.3 激光輔助打印機(jī)

激光輔助打印機(jī)是較噴墨式打印機(jī)和擠壓式打印機(jī)更為昂貴的打印設(shè)備，激光輔助打印機(jī)原理復(fù)雜，激光輔助打印機(jī)操作更加復(fù)雜，激光輔助打機(jī)打印可以避免設(shè)備與所打印材料之間的直接接觸，這種非接觸式打印方法不會對細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，所以其打印細(xì)胞活力可達(dá)＞95%。對于材料粘度的選擇也更多，可打印材料的粘度較前兩者較高，可制造更為復(fù)雜的組織器官。

3 3D生物打印材料

常用的3D生物打印材料包括天然生物材料和人工合成材料，每種材料都有其獨特的化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能5。生物材料的選擇可以決定所打印組織器官的宏觀及微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)。所使用生物材料的力學(xué)性能要求穩(wěn)定。如果打印纖維力學(xué)強(qiáng)度較低可出現(xiàn)支架坍塌現(xiàn)象，形成單一的支架。對于體內(nèi)應(yīng)用來說，機(jī)械穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，許多使用的生物相容性好的生物材料卻缺乏足夠的機(jī)械性能。為了克服這一障礙，最有希望的方法是混合打印，其中機(jī)械支撐和細(xì)胞相容性的功能分為兩種材料，雖然這樣可以有效地改善機(jī)械性能，這篇文章主要對水凝膠、人工合成材料進(jìn)行討論。

3.1 水凝膠

水凝膠是應(yīng)用的特別廣泛的生物材料，因為它可以模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)并且具有一定機(jī)械支持能力，在3D環(huán)境中能使細(xì)胞有效且均勻的接種。水凝膠材料可分為天然組織水凝膠材料和人工合成水凝膠材料，由于其具有良好的通透性和包裹細(xì)胞的能力，所以非常適用于3D生物打印，因而是被廣泛用于生物3D打印的生物材料6。水凝膠類的生物材料對細(xì)胞打印存在一些缺點，例如不適當(dāng)?shù)慕宦?lián)和液體流變特性改變，這將阻礙精確的3D打印成型7。

天然水凝膠材料是細(xì)胞外基質(zhì)組分或組織衍生的水凝膠材料，廣泛用作3D生物打印中細(xì)胞系統(tǒng)中的生物材料來源，如膠原蛋白，多糖、透明質(zhì)酸等。天然水凝膠是組織工程最理想生物材料，他不僅為細(xì)胞提供合適粘附、生長、增殖及分裂微環(huán)境，而且對細(xì)胞不產(chǎn)生毒性，可隨時間的增長而逐漸降解，降解后的物質(zhì)無毒性，對細(xì)胞增生繁殖無影響。天然水凝膠不僅具有包裹細(xì)胞和打印的能力，而且水凝膠有理想的一定粘度和塑型應(yīng)力特點，允許通過3D生物打印機(jī)在空間位置上精確的擠出。所以其仍然是用于細(xì)胞包裹的最常用的生物材料。

3.2 人工合成材料

人工合成聚合物眾多，包括聚氨酯（PU），聚己內(nèi)酯（PCL），聚乳酸（PLA），聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸乙醇酸（PLGA）等。人工材料可降解，降解后產(chǎn)生毒性較小，對細(xì)胞影響較弱，人工合成材料還能為組織支架提供較好的力學(xué)支撐結(jié)構(gòu)。使打印組織維持一定的形狀，保持一定的孔隙率，不易塌陷形成單一結(jié)構(gòu)支架。人工合成材料支架能為細(xì)胞提供遷移和增殖的支撐結(jié)構(gòu)，細(xì)胞在支架材料上增殖分化，同時分泌細(xì)胞外基質(zhì)成份，還可以為提供細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生和重塑的空間。人工復(fù)合材料能提供良好的力學(xué)支撐，使打印結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度增加。

4 結(jié)語

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，3D生物打印技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，但仍然處于初級階段。雖然3D打印技術(shù)和生物材料已經(jīng)日新月異，但對于實現(xiàn)理想制造組織器官的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。目前的3D生物打印技術(shù)和生物材料還不能滿足我們對制造組織器官的要求，理想的生物打印材料應(yīng)該具備以下幾點：a可打印性,b可以保持良好的細(xì)胞活力、粘附及增殖,c生物材料還應(yīng)該提供足夠的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)支撐,d具有仿生性，e所選擇的材料可以降解8。對于中空管狀結(jié)構(gòu)生物打印的一些基本要求，現(xiàn)有的生物材料和打印技術(shù)它們?nèi)匀蝗狈ψ銐蚋叩姆直媛屎投喙δ苄詠砩a(chǎn)具有非常小的內(nèi)徑和足夠的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的管腔結(jié)構(gòu)，以制造復(fù)雜的組織和器官工程需要。但我們要克服的問題依然很多，如力學(xué)問題，材料降解問題，以及打印材料通透性等問題。