徐弢

一、生物3D打印是什么？

3D打印最基本的解釋是常規(guī)的增材制造。我們團隊對3D打印的研究則是顛覆它原有的對象，不再使用普通材料，而是利用生長因子等活性材料進行打印。即利用3D增材制造原理，以加工包括生物材料、生長因子和細胞等的活性材料為主要內(nèi)容，以修復和重建人體組織和器官為目的的，跨學科跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學工程技術(shù)[1]。

二、生物3D打印技術(shù)的發(fā)展

以技術(shù)產(chǎn)生時間和材料生物學性能為依據(jù)，可將生物3D打印技術(shù)發(fā)展分為5個層次。第一層次：打印材料無生物相容性要求，包括醫(yī)學模型和體外醫(yī)療器械，常見案例有外科手術(shù)設(shè)計的輔助模型、牙科手術(shù)導板等。第二層次：打印材料有生物相容性要求，但非可降解材料。產(chǎn)品植入人體后成為永久性植入物，包括金屬和陶瓷等材料，常見案例有不降解假肢、假耳移植物等。第三層次：打印材料有生物相容性要求，而且能被降解，產(chǎn)品植入人體后可促進組織再生，重構(gòu)組織的修復機制，常見案例有骨組織支架、皮膚組織支架等。第四層次：使用活細胞、蛋白及其他細胞外基質(zhì)作為材料，打印體外仿生三維生物結(jié)構(gòu)體，常見案例有細胞模型、類肝組織模型等。第五層次：這是最新發(fā)展出的，增加了時間維度的可打印自我組裝材料的4D打印。

從工程學角度，前3個層次在20多年前就有，叫做快速成型技術(shù)，現(xiàn)在更多發(fā)展的是在應用層面的創(chuàng)新。第一層次的3D打印在個體化醫(yī)療模型及假肢制造，神經(jīng)外科的顱內(nèi)腫瘤、動脈瘤神經(jīng)纖維束、腦室構(gòu)建、狹顱癥等，肝膽外科的全透明、可牽拉的腎腫瘤模型等領(lǐng)域都有應用。第二層次主要應用于個性化永久植入物制造，如大眾熟悉的骨科模型。中國實現(xiàn)了首個金屬永久植入物髖臼杯的3D打印，而且投入了臨床使用。第三層次則主要應用于組織工程支架的仿生設(shè)計與制造，讓材料逐步降解，給組織再生長提供空間。第四層次被稱為“Bioprinting”，原來更多地被稱為“快速成型”，現(xiàn)在把細胞加入活性打印材料，才稱之為現(xiàn)代意義上的生物3D打印。第五層次為4D打印，即在生物3D打印的基礎(chǔ)上增加了時間的維度。2016年美國麻省理工學院有團隊率先打印了具有自組裝特殊功能的材料，例如打印出來是一條直線，隨著時間維度的發(fā)展其自我組裝功能會使其成為一個立體形狀。筆者認為，在某種程度上，細胞及組織的打印也是一種4D打印，因為細胞是存活的發(fā)展的，會進一步成長為組織，組織則進一步成長為器官。但目前在概念上，我們并不傾向于使用“4D打印”，因其發(fā)展尚不是很成熟。但不管最終定義為何，能夠解決實際問題才是最重要的，在其基礎(chǔ)上我們進行了一些打印細胞及細胞機器人的工作。

三、細胞3D打印是什么？

早期我們使用的噴墨打印技術(shù)可以將墨水加熱氣化，那含有細胞的血液也可以通過加熱氣化高速地噴出來且效率很高，從而組建起細胞三維結(jié)構(gòu)。利用噴墨打印可以打出不同顏色的原理，我們也可以打印出不同的細胞，內(nèi)皮細胞打印到管壁內(nèi)層，平滑肌細胞打印到管壁外層。早期組織工程多采用手工辦法，有了細胞打印之后我們可以用自動化的方式更精準更容易地實現(xiàn)人的仿生結(jié)構(gòu)，這就是細胞打印的價值所在。

Bioprinting最初是個組合的新詞匯，但隨著細胞打印的發(fā)展，現(xiàn)在已被正式收錄到了牛津詞典中，且其定義中明確了細胞的作用。同樣，維基百科對Bioprinting的解釋中也包含有細胞的說明，可見細胞在生物3D打印中的重要性。

四、細胞3D打印的應用

生物3D打印的研究進展在實際應用領(lǐng)域也有所體現(xiàn)。筆者所在團隊申請并獲得授權(quán)的全球第一家細胞打印專利更是實現(xiàn)了無生命材料到有生命物質(zhì)打印的飛躍。

現(xiàn)在的醫(yī)學發(fā)展逐步走向精準時代，生物3D打印精度高、便攜，可更精準地進行戰(zhàn)傷創(chuàng)面的修復。筆者通過一系列對比試驗證實，生物3D打印技術(shù)在戰(zhàn)傷創(chuàng)面修復治療中的效果是不錯的。另外，我們利用毛囊干細胞進行打印實驗，發(fā)現(xiàn)其確實能夠?qū)崿F(xiàn)毛囊再生。

生物3D打印可用于心臟結(jié)構(gòu)模擬。通過心肌細胞和生物材料打印一些立體的組織，例如打印小動物的心臟，發(fā)現(xiàn)它可以有節(jié)奏地跳動。動物的心臟細胞能夠保持它的功能，這一結(jié)果表明打印技術(shù)對細胞沒有造成重大影響。對更大體容的腎臟進行打印也取得了不錯的效果。

五、細胞3D打印在神經(jīng)外科的發(fā)展與應用

在生物3D打印神經(jīng)鞘管方面，我們利用制造學的優(yōu)勢，通過生物打印技術(shù)打印微孔多通道結(jié)構(gòu)的神經(jīng)導管并在早期進行神經(jīng)生長因子灌注。植入3個月后發(fā)現(xiàn)，與未灌注神經(jīng)生長因子的神經(jīng)導管相比，灌注有神經(jīng)生長因子的神經(jīng)導管具有更好的促進組織再生的能力。

在干細胞治療方面，生物3D打印技術(shù)可提升腦癱細胞的治療水平?，F(xiàn)有干細胞移植治療以直接注射為主，存在以下兩種可能的局限。首先是注射后的干細胞因運動代謝等原因，導致有效干細胞不足。其次是干細胞在病變區(qū)域的微環(huán)境不理想。單純的細胞研究是重要的，但更重要的是細胞與機制的結(jié)合，如果微環(huán)境不好，細胞的生存狀況也就不理想。為解決這一問題，我們設(shè)計以格柵形狀或微球形狀進行打印，格柵形狀可適用于大塊體積纖維的修復，微球形狀則可以保持細胞的集中注射。另外，我們在格柵里面灌注一些神經(jīng)生長因子和造血因子，改善其微環(huán)境。實驗結(jié)果可見，通過微球培養(yǎng)的細胞在十余天后，細胞在固定位置生長且狀況良好。正常二維培養(yǎng)的細胞持續(xù)生長一段時間后會啟動凋亡機制，進而細胞數(shù)量減少，但實驗發(fā)現(xiàn)，在3D環(huán)境下培養(yǎng)的細胞并未出現(xiàn)凋亡，而是呈持續(xù)生長的狀態(tài)。另外對臍帶內(nèi)皮細胞的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，3D環(huán)境下培養(yǎng)的細胞不僅數(shù)量增加，其分化細胞的性能上也有所改善。

雖然干細胞的培養(yǎng)可通過添加神經(jīng)因子得到改善，但畢竟因子緩釋還是十分困難的。如何使得生物3D打印的成果更加仿生呢？我們采用了同軸打?。{米膜制造神經(jīng)纖維束的方法。我們把神經(jīng)干細胞做成像線一樣的細胞線，線的中心是神經(jīng)干細胞，周圍環(huán)包著的則是神經(jīng)的支撐細胞，這些細胞不斷地產(chǎn)生著營養(yǎng)因子。同軸打印的方式，即在中心打印神經(jīng)干細胞，在周邊打印支撐細胞，最終以條索狀的形式打印出來，然后將條索包裹起來。實驗發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)下纖維束細胞的存活率是相當高的，而且也在一定程度上釋放出了神經(jīng)生長因子。

以上主要是生物3D打印在再生領(lǐng)域的應用，其實生物3D打印在腫瘤模型研究方面也具有相當?shù)膬?yōu)勢。在膠質(zhì)瘤模型打印方面，通過格柵形狀的打印可以定量化地制作材料支架和細胞，其優(yōu)勢在于具有很強的通透性，營養(yǎng)物質(zhì)可以非常容易地穿透進去。實驗結(jié)果再次表明2D平板和3D環(huán)境培養(yǎng)下的細胞生長曲線是不一樣的，2D環(huán)境下的細胞在第9天開始抑制凋亡，3D環(huán)境下的細胞則連續(xù)不斷地在生長，說明3D培養(yǎng)的微環(huán)境是很適合它生長的。而且在細胞干性、基因水平和對藥物的反應等方面，2D環(huán)境和3D環(huán)境下培養(yǎng)的細胞區(qū)別也十分明顯。針對細胞活性我們進行干細胞層流性實驗，將2種環(huán)境下生長的細胞收集起來進行對比，發(fā)現(xiàn)3D環(huán)境培養(yǎng)的細胞全面優(yōu)于2D環(huán)境。另外，我們還對生物3D打印垂體瘤模型進行了研究，結(jié)果表明生物3D打印環(huán)境下的培養(yǎng)結(jié)果是優(yōu)于2D環(huán)境的。

六、總結(jié)

工程技術(shù)如果不能被轉(zhuǎn)化，那它就會失去生命力。我們團隊將生物3D打印技術(shù)進行了很多轉(zhuǎn)化，如醫(yī)學模型的轉(zhuǎn)化，建立神經(jīng)多模態(tài)模型供醫(yī)學工作者進行訓練，包括全腦模型、首個神經(jīng)內(nèi)鏡模型、經(jīng)鼻碟入路模型[2-4]。目前已有2種模型投入臨床，另外通過生物3D打印技術(shù)生產(chǎn)的適用于神經(jīng)外科的產(chǎn)品也已經(jīng)進入市場，都取得了良好的效果。未來生物3D打印技術(shù)發(fā)展的機會越來越多，只有更多地與醫(yī)療、臨床和基礎(chǔ)科學的結(jié)合，才能形成多贏的局面[5]。

[1] 李楓.讓生物3D打印邁向普羅大眾[J].中國工業(yè)評論,2015,(12):106-111.

[2] 林繼業(yè),文平,柯以銓,等.3D打印技術(shù)在顱底外科手術(shù)規(guī)劃中的應用[J].中華神經(jīng)醫(yī)學雜志,2016,15(12):1240-1245.

[3] 蘭青,陳愛林,張?zhí)?等.通過3D打印技術(shù)制備顱腦實體模型[J].中華醫(yī)學雜志,2016,96(30):2434-2437.

[4] 尹一恒,余新光,佟懷宇,等.3D打印技術(shù)在顱底凹陷合并寰樞椎脫位手術(shù)中的應用[J].中華醫(yī)學雜志,2015,95(37):3004-3007.

[5] 徐弢.生物3D打印的產(chǎn)業(yè)化機遇[J].中國工業(yè)評論,2015,(5):46-53.