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3D生物打印是一种增材制造工艺，其中有机和生物材料（如活细胞和营养物质）结合在一起，形成模仿天然人体组织的人造结构。

换句话说，生物打印是一种3D打印，可以潜在地产生从骨组织和血管到活组织的任何东西，用于各种医疗应用，包括组织工程和药物测试和开发。

也许3D生物打印最重要的驱动力是再生医学。根据克里斯·梅森（Chris Mason）和彼得·邓尼尔（Peter Dunnill）的说法，这涉及替换或再生“人体细胞，组织或器官，以恢复或建立正常功能”。在这里，生物打印可以发挥核心作用，特别是考虑到全球对器官和组织移植的高需求。

在本文中，我们将探讨被称为3D生物打印的迷人而未来主义的技术。我们将介绍其最重要的方面，包括其主要应用程序，它的工作原理以及它在未来如何设想工作。

在进入本文之前，值得注意的是，很少有3D生物打印应用程序可供患者使用，尽管未来看起来非常有希望，但您不应该对拥有新的肝脏或心脏抱有很高的期望。

生物3d打印的主要应用

从生物打印技术中获得的产品可以模仿我们身体天然存在的结构和组织的生物和功能特性。这可能会导致不同类型的应用，但今天生物打印只有一个可行的用途：药物测试和研究。

虽然3D生物打印的最终目标是生产用于移植的人造器官（正如我们接下来将看到的），但使它们作为真实器官发挥作用的复杂性是巨大的。然而，今天的科学家可以成功地创造出模仿自然结构和组织的生物结构和组织。

因此，研究人员已经可以创建化学行为类似于肾组织的结构，而不是生物打印功能齐全的肾脏。虽然与最初的目标相去甚远，但这些结构可以用来测试新药，而不必依赖可能遭受意外副作用的现实生活中的患者。

除了道德部分之外，使用生物打印材料的药物开发可以使新药的临床前试验更具成本效益，帮助它们得到验证并更快地进入市场，同时还可能减少对动物试验的需求。

未来应用

然而，3D生物打印最初是一种再生医学工具。生产用于移植的人工器官将解决高需求和低可用性的问题，以及与器官排斥相关的手术后并发症，因为制造的器官将使用患者自己的有机材料进行开发。

虽然器官置换是最终目标，但与此同时，组织修复已经显示出非常有希望的结果。而不是创建整个功能器官，小组织贴片可以潜在地用于再生和治疗肝脏和心脏等器官。骨骼和皮肤移植也可以从该技术中受益，包括用于重建和美学目的的手术。

这两种与再生医学相关的应用仍在开发中，只有少数几个成功案例在研究实验室和动物中，例如多伦多大学在烧伤上“打印”皮肤的项目。

生物3d打印它是如何工作的？

从本质上讲，3D生物打印的工作原理类似于传统的3D打印：数字模型通过逐层制造技术转换为物理三维物体。

有几种生物打印方法可用，包括基于挤出的方法，其中材料从针中排出以形成层，以及激光辅助技术，其中激光充当热源以帮助将材料沉积到基板上，其过程类似于选择性激光熔化（SLM）。

无论生物打印方法如何，这里原料由生物制剂和活细胞组成，而不是长丝，树脂和金属等无机原料。

这些材料被称为生物墨水，主要由载体材料中的生物物质像细胞一样组成 - 如胶原蛋白，明胶，透明质酸，蚕丝，藻酸盐或纳米纤维素 - 它们充当分子支架，用于结构生长和营养物质提供支持。

一般来说，生物打印过程作为一个整体涉及几个步骤，可以总结为三个关键阶段：准备，其中包括创建数字模型（类似于传统3D打印的3D建模阶段）;逐层施工过程本身;以及涉及机械和化学刺激以稳定结构和成熟生物材料的生物打印后阶段。

在下一节中，我们将详细介绍一般3D生物打印工作流程的各个步骤。

生物打印的关键步骤

尽管有各种3D生物打印类型和方法，但典型的过程遵循大致相同的标准系列步骤。

制备

• 3D 成像：与3D扫描与传统3D打印类似，利用正常的计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）扫描来获取有关生物结构及其周围环境的尽可能多的信息。
• 3D 建模：结构或组织的实际三维模型由特殊软件生成。该模型是在微观尺度上开发的，已经考虑了逐层制造方法和载体材料。
• 生物墨水制备：生物墨水的类型和制备取决于特定生物打印机的印刷方法。例如，在基于挤出的生物打印方法中，生物墨水应该是一种高粘度流体，以便在挤出后保持相对结构，而对于其他方法，如喷墨或涉及微流控性的方法，原料材料必须处于更液态才能正常流动。

建筑（或3D打印）

• 印刷：无论使用何种方法，3D生物打印过程都涉及逐层沉积材料。在某些生物打印方法中，打印分辨率可以达到令人难以置信的单细胞沉积，例如Fluicell的微流体流动打印。

生物打印后

• 交联：一旦打印出来，材料仍然处于相对迟钝的状态，因此需要额外的步骤才能正确固化并将它们混合在一起。这被称为交联，它是确保印刷结构的机械和化学性能的重要步骤。交联可以使用不同的环境控制，如紫外线，温度和化学品等。
• 成熟：最后，生物打印和交联结构需要生物生长。这意味着打印的活细胞将繁殖，组织将沿着下面的打印结构生长。这一步也称为孵育，在生物反应器内完成，为繁殖和组织生长创造有利环境。

对于许多人来说，3D生物打印机的市场并不小，这可能会让人感到惊讶。对于初学者来说，有不同的生物打印方法，可以分为四大类：基于挤出，基于喷墨，激光辅助和立体光刻。

每种方法都有不同的优缺点，每种方法都更适合某些生物打印目的。从适度的台式机器到大型生物打印站，设备尺寸，功能和用途各不相同。让我们回顾一些生物打印机，以更好地说明这个想法。

虽然我们离大规模生产人造器官和人体组织还很远，但在过去几年中，听到生物制造领域令人兴奋的新发展并不罕见。

2019年4月，全球新闻媒体报道了特拉维夫大学分子细胞生物学和生物技术学院开发的第一个血管化3D打印微型心脏。迷你器官是使用患者特定的材料制成的，但没有显示出任何功能。

然而，就在以色列研究人员取得突破几个月后，美国生物技术公司BioLife4D宣布了自己的生物打印心脏，该心脏更大，并复制了人类心脏中发现的一些功能。

器官生物打印的另一项大规模发展是由纽约伦斯勒理工学院的研究人员实现的。在2019年，他们能够创建完全血管化的皮肤贴片。皮肤是人体最大的器官，由患者自身细胞制成的人造贴片将能够快速治疗严重的烧伤受害者。该团队现在专注于开发移植并将贴片的血管系统直接整合到患者体内。

随着生物打印机市场的增长以及对组织工程和再生医学的兴趣日益浓厚，很明显，生物打印技术将继续以更快的速度发展。

它确实将从道德和伦理的角度证明其价值，这始终是与医学和自然相关的技术的重大挑战。让我们看看这项技术在几十年后将如何发展。