生物3D打印是什么，它将如何改变我们的生活

3D打印起源于20世纪80年代，近年来发展迅猛，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。生物3D打印是3D打印的一个分支，目前正在国内外掀起新一轮研究热潮。那么如此火爆的生物3D打印究竟是什么呢？本文就带你全面了解一下。

生物3D打印的概念

2003年，美国Clemson大学研究者首次发文报道了活细胞的打印 ，他们通过改装一台惠普喷墨打印机，装载含细胞的墨水材料，打印出了简单的含细胞二维图案。同年，美国Drexel大学孙伟教授申请了多喷头挤出式细胞打印专利。

生物3D打印是一种基于增材制造思想，以活细胞、细胞外基质、生物因子和生物材料为原料，制造有生命或无生命的生物学产品的技术。与金属、陶瓷、塑料等材料的3D打印相比，生物3D打印的最大区别是加工有生命的材料（比如细胞及其他生物功能性组分）并创造有生命的产品。

作为3D打印的一个分支，它代表了目前3D打印技术的最高水平之一。

在美国，每1.5小时就有1例病人因为等不到合适的器官移植而死亡，每年有超过800万例组织修复相关的手术。生物3D打印技术的目标就是解决组织、器官短缺的问题。1994年科学家认为组织工程技术可以解决器官再造的技术，当时首选的目标就是制造皮肤或软骨组织，但是至今没有真正的成功。而生物3D打印技术可能是解决方法之一。

生物3D打印的原理

说到打印，我们最先想到的是文件的打印，也就是我们最早使用的喷墨打印技术。其原理是快速地把细小的墨滴精确地打印到相应的位置，从而打印出我们想要的文件。

同样的，我们也可以将细胞悬液灌进墨盒，从而实现生物3D打印，这个过程中虽然会经历高温，大事时间非常短，所以不会对细胞造成损害，打印出的细胞可以达到95％以上存活率。

与普通的打印类似，我们可以使用不同的细胞悬液，从而打印出不同的组织，经过逐层打印，可以得到一个和正常结构类似的产品。

生物3D打印技术的发展

生物3D打印自出现以来，其发展经历了四个层次。

第一层次：打印出的产品不进入人体，主要包括一些体外使用的医学模型、医疗器械，对使用的材料没有生物相容性的要求。该层次的应用有神经外科及脊柱外科的个性化手术模型、假肢等；

第二层次：使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解，产品植入人体后成为永久性植入物。该层次的应用有个体化的永久植入物，如假耳移植物、下颌骨移植物等；

第三层次：使用的材料具有良好的生物相容性，而且能被降解。产品植入人体后，可以与人体组织发生相互关系，促进组织的再生。该层次采用可降解的生物相容性材料，制作出仿生的 组织工程支架，清华大学团队采用低温沉积成形技术，制造出具有分级孔隙结构的骨支架，最多可以做到4级孔隙，有利于各种细胞的生长进入，处于世界领先水平；

第四层次：使用活细胞、蛋白及其他细胞外基质作为材料，打印出具有生物活性的产品，最终目标是制造出组织、器官。第四层次也被称为“细胞打印”或“器官打印”，是现代意义的生物3D打印，相比较而言前三个层次可以被称为“快速成型”。作为目前生物3D打印的最高层次，这种打印明显没有前三个层次来的成熟

根据生物3D打印机的原理不同，可以分为许多不同的类别，其中微挤出式和喷墨式细胞打印最受关注。

微挤出式和喷墨式细胞打印近年发文数量比较

从学术研究和市场表现两方面来看，微挤出式方法代表了生物3D打印的技术主流和趋势。究其原因，是该类技术在墨水材料种类、生物相容性、三维成型能力等方面具有综合优势。

根据应用场景的不同，生物3D打印的发展情况也不尽相同。

服务于生物科学研究方面的应用已经过了发展的顶峰，目前进入洗牌阶段，也很可能预示着一轮技术更新的到来。

3D打印人体组织，这类研究主要指的是体外构建的仿生人工组织，用于基础研究或组织工程及创伤修复等应用。区别于复杂器官的移植，这类工作更多的是功能相对简单的单一组织构建。

3D打印器官移植，该类研究已经起步，但尚处于萌芽阶段，还有很长一段路要走。

生物3D打印机的应用

生物3D打印的应用范围十分广泛，不同时期技术发展程度不同，其应用的领域也不尽相同。

早在在2005年，3D打印塑料类的手术导板和夹具开始成为常态，2009年金属3D打印的植入物开始进入医院手术台，2013－2018年生物医用植入物技术逐渐走向成熟，2013－2022年原位in-situ生物制造技术开始出现并逐渐成熟，预计在不久的将来3D打印完整人体器官渐入佳境。

除了用于药物测试和移植的器官的可能性，3D打印技术已经成功地用于创建骨骼，包括脊椎骨，下颌骨，和整个胸廓，以及软骨结构，如耳朵和气管。3D打印技术未来的应用包括3D生物打印的现场，可以帮助在战场上修复伤口，而3D打印的皮肤能够恢复正常的烧伤，或仅仅是用于美容化妆。

总的来说，生物3D打印的应用大概有以下几个方面：

1. 仿生组织器官：骨髓打印；心脏打印；皮肤打印

2. 组织工程支架：骨修复支架；半月板支架；骨-软骨支架

3. 细胞研究与治疗：细胞免疫研究；胚胎干细胞打印；神经细胞打印

4. 个性化药检模型：器官芯片；个性化肝癌模型；

5. 高端医疗器械：抗HPV病毒蛋白缓释支架；心脏/血管支架；人工心脏瓣膜；

6. 先进材料拓展应用：人造肉；导电与磁性材料打印。