黃文華

3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，最早稱為快速成型技術(shù)，現(xiàn)歸類為增材制造技術(shù)。3D打印技術(shù)發(fā)展至今已衍生出多種打印工藝，并擴(kuò)展至眾多行業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了重要的應(yīng)用價(jià)值。目前3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域多個(gè)方面的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但在再生醫(yī)學(xué)、器官移植方面的應(yīng)用仍處于研發(fā)和探索階段，距離實(shí)際臨床應(yīng)用還有一段距離[1-3]。本文就生物3D打印技術(shù)在器官再造領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)、熱點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

3D打印技術(shù)是一種制造技術(shù)，基于三維數(shù)字模型切片后的路徑規(guī)劃參數(shù)，采用可粘合材料通過(guò)3D打印機(jī)按規(guī)劃路徑進(jìn)行逐層打印，制造出立體產(chǎn)品。3D打印設(shè)備的種類通?；诓煌?D打印工藝進(jìn)行劃分，最初問(wèn)世的3D打印工藝是光固化立體成型（stereolithography，SLA），通過(guò)紫外光誘導(dǎo)光敏樹(shù)脂交聯(lián)進(jìn)行逐層打印，而后選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、立體噴墨打印（3D printing，3DP）、熔融沉積成型（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）、 數(shù) 字 光 處 理（digital optical processing，DLP）等多種工藝陸續(xù)問(wèn)世[4-7]。

模型、器械3D打印的臨床應(yīng)用已較為成熟?；谟跋駭?shù)據(jù)重建后的三維數(shù)字模型可以作為打印和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的模板，為3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)[8]。3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用最早是制作病例模型、手術(shù)導(dǎo)板，之后擴(kuò)展至個(gè)性化康復(fù)支具的制造，多基于FDM和SLA工藝，采用人工高分子材料進(jìn)行制作[4,7]。類似應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，部分3D打印服務(wù)和產(chǎn)品也已納入醫(yī)保。近年來(lái)，3D打印的鈦合金材質(zhì)三類醫(yī)療器械也陸續(xù)問(wèn)世并投入生產(chǎn)，且隨著個(gè)性化定制醫(yī)療器械的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，該領(lǐng)域的臨床應(yīng)用將不斷增多[9]。

具有生物活性的植入物是當(dāng)下3D打印研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。利用3D打印技術(shù)制造人工組織可以修復(fù)組織創(chuàng)傷、重建組織功能，但目前多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，少數(shù)研究進(jìn)展到了臨床試驗(yàn)階段。在目前的研究階段，通常將生物材料、干細(xì)胞、生長(zhǎng)因子復(fù)合制成組織工程化制品[10]，3D打印技術(shù)在其中的作用是作為構(gòu)建個(gè)性化仿生結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。目前細(xì)胞和生物活性成分與生物材料的結(jié)合方式包括表面黏附和內(nèi)部包載，早期因打印工藝和設(shè)備的缺乏，應(yīng)用較廣泛的是表面黏附，采用熱塑性的高分子材料如聚乳酸、聚己內(nèi)酯等，通過(guò)FDM工藝制作成多孔支架，再經(jīng)支架或細(xì)胞共培養(yǎng)促進(jìn)細(xì)胞和生長(zhǎng)因子黏附，用于組織移植修復(fù)。近年來(lái)，隨著對(duì)細(xì)胞無(wú)損的直寫(xiě)成型、DLP等工藝的3D打印設(shè)備普及，采用水凝膠包載細(xì)胞進(jìn)行生物3D打印成為新的研發(fā)熱點(diǎn)，可在保證細(xì)胞存活率的同時(shí)簡(jiǎn)化共培養(yǎng)步驟，提供更貼近組織生長(zhǎng)速率的材料降解速度[2,11]。除此之外，也有研究者嘗試直接在組織損傷創(chuàng)面上進(jìn)行原位生物3D打印修復(fù)[12]。

3D打印技術(shù)在器官再造領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展目標(biāo)是完全采用細(xì)胞成分進(jìn)行3D打印，構(gòu)建形態(tài)仿生、功能仿生的人工器官，并向多器官再造方向發(fā)展。器官是由多種不同類型組織發(fā)育分化并且互相結(jié)合構(gòu)成，具有特定的形態(tài)和生理功能，生物3D打印從組織打印向器官打印過(guò)渡仍需一段時(shí)間的發(fā)展及基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的不斷深入。

2 生物3D打印器官的研究進(jìn)展

生物3D打印經(jīng)過(guò)最近十年的迅猛發(fā)展，取得了眾多里程碑式的成果。作為生物3D打印概念的早期驗(yàn)證，人耳廓形態(tài)軟骨裸鼠模型早在1997年已被提出。上海交通大學(xué)曹誼林教授成功為5例患有先天性小耳畸形的兒童移植了定制化打印的耳狀軟骨，經(jīng)過(guò)兩年半的隨訪，3D打印耳形態(tài)與正常耳基本一致[13]。這項(xiàng)臨床試驗(yàn)研究成功在體外培養(yǎng)人耳狀軟骨并進(jìn)行移植，彰顯了3D打印器官未來(lái)應(yīng)用的巨大潛力。

相較于3D打印硬組織已經(jīng)快速地應(yīng)用于臨床治療中，3D打印軟組織器官的發(fā)展則較為曲折，真正的人體器官是由多種不同細(xì)胞及細(xì)胞亞群組成，器官中除了功能細(xì)胞還具有大量的血管、神經(jīng)等結(jié)構(gòu)。因此，多組織協(xié)同打印是目前實(shí)現(xiàn)器官?gòu)?fù)雜功能的一種策略。在生物3D打印人工器官的血管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，美國(guó)Organovo公司研究人員打印了肝臟細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞逐層交替的微型肝臟補(bǔ)片，其微血管吻合良好，血液可以從周?chē)母闻K組織運(yùn)輸?shù)礁闻K補(bǔ)片中，維持3D打印器官的功能，這項(xiàng)研究標(biāo)志著移植3D打印器官促進(jìn)血管再生吻合的可能性。

生物3D打印人工器官的形態(tài)仿生方面近年來(lái)取得重要進(jìn)展。Noor等[14]采用來(lái)源于患者脂肪組織干細(xì)胞構(gòu)建的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，混合細(xì)胞外基質(zhì)、膠原蛋白等成分制成生物墨水，構(gòu)建出具有心房、心室、主要血管的微型心臟。因?yàn)樯锬饕煞謥?lái)源于患者自體細(xì)胞，該人工器官可以匹配患者自身的免疫、細(xì)胞、生化特征。

生物3D打印人工器官的功能仿生同樣取得重要突破。在心臟的生物3D打印方面，Jallerat等[15]構(gòu)建了一種打印膠原蛋白內(nèi)外壁，中間打印心肌細(xì)胞的新型生物3D打印方式，構(gòu)建了左心室和心臟瓣膜模型，經(jīng)過(guò)體外培養(yǎng)后，該組織模型可以產(chǎn)生自發(fā)搏動(dòng)功能。在肺泡的生物3D打印方面，Grigoryan等[16]構(gòu)建了具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的3D打印肺，能夠像正常肺部一樣輸送氧氣，進(jìn)行“呼吸”這一生理過(guò)程。

面對(duì)近年來(lái)新型冠狀病毒（SARS-CoV2）肺炎疫情的爆發(fā)，對(duì)于免疫系統(tǒng)的3D打印器官的研究也逐步加快。Ramaswamy等[17]團(tuán)隊(duì)合成了一個(gè)完整的功能性免疫系統(tǒng)，其構(gòu)建的3D打印淋巴結(jié)具有完整的合成系統(tǒng)，可以迅速產(chǎn)生大量SARS-CoV2抗體，應(yīng)對(duì)病毒感染。

目前器官再造的生物3D打印已經(jīng)從單一成分打印向多種成分打印發(fā)展；從單一組織向多組織協(xié)同打印發(fā)展；從無(wú)響應(yīng)性向刺激響應(yīng)性發(fā)展。目前的生物3D打印在器官再造領(lǐng)域中，正從組織打印向類器官打印方向邁進(jìn)，未來(lái)將進(jìn)一步向完整器官打印邁進(jìn)?；仡櫧陙?lái)的每一次3D打印器官技術(shù)的突破，我們有理由相信3D打印器官距離移植到人體已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。

3 生物3D打印使器官再造迎來(lái)新的機(jī)遇

生物3D打印相關(guān)研究在最近十年迎來(lái)迅猛增長(zhǎng)。2015年之前，3D打印相關(guān)的研究論文發(fā)表數(shù)量為2 400余篇，2015年至2021年，發(fā)文量上升至近16 000篇，并且呈現(xiàn)出與材料科學(xué)、納米科學(xué)、放射學(xué)核醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)應(yīng)用等多學(xué)科的交叉融合[18]。在轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面，生物3D打印的多家知名設(shè)備公司和打印服務(wù)供應(yīng)商都在積極布局生物3D打印設(shè)備與組織器官再造的研究，市場(chǎng)規(guī)模的年復(fù)合增長(zhǎng)率>20%，已有多項(xiàng)3D打印組織工程制品臨床研究正在進(jìn)行。

3.1 工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)有望實(shí)現(xiàn)器官再造

科研領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都將生物3D打印技術(shù)視為器官再造的重要技術(shù)手段，得益于技術(shù)本身的工藝和原理[19]。首先，分層打印、逐層疊加的工藝特點(diǎn)使3D打印技術(shù)易于構(gòu)建三維立體結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞層面上，3D打印提供的三維培養(yǎng)環(huán)境較培養(yǎng)皿中的二維培養(yǎng)方式要更加接近體內(nèi)的立體環(huán)境，細(xì)胞在體外培養(yǎng)如果缺乏空間上的細(xì)胞間和細(xì)胞與基質(zhì)間相互作用，其細(xì)胞表型、增殖分化活動(dòng)、代謝活動(dòng)將與體內(nèi)培養(yǎng)環(huán)境存在巨大差異[20]。

其次，三維數(shù)字模型等比例重建和設(shè)計(jì)修改便捷特點(diǎn)使3D打印技術(shù)易于進(jìn)行個(gè)性化定制。3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)、打印、后處理等環(huán)節(jié)的可操控性高，適合進(jìn)行少量產(chǎn)品的定制生產(chǎn)。因此，以缺損組織或損傷器官的形態(tài)作為打印模板，采用來(lái)源于患者的細(xì)胞進(jìn)行生物3D打印，有望獲得精準(zhǔn)匹配且無(wú)免疫原性的人工器官[21]。

再者，對(duì)細(xì)胞無(wú)損、多材料、多通道的生物3D打印有望實(shí)現(xiàn)多組織器官的構(gòu)建。組織層面上，器官中特定組織的特異性分布是器官發(fā)揮生理學(xué)功能的先決條件，3D打印可控的立體結(jié)構(gòu)制造恰好為多組織構(gòu)建提供了可能。目前的生物3D打印機(jī)多采用氣壓或機(jī)械驅(qū)動(dòng)的直寫(xiě)成型式打印工藝，避免了長(zhǎng)時(shí)間紫外光交聯(lián)、高溫熔融、激光熔融等會(huì)引起生物活性成分失活的工藝技術(shù)?，F(xiàn)有的生物3D打印設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)打印后細(xì)胞存活率>90%，并能適配多料倉(cāng)、多材料打印方式。隨著工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)，有望實(shí)現(xiàn)組織層次的精確構(gòu)建[22]。除此之外，利用可提取或合成的生物材料，以及可培養(yǎng)擴(kuò)增的細(xì)胞作為原料進(jìn)行3D打印，極大程度解決了器官移植的供者來(lái)源、供者配型及排斥反應(yīng)問(wèn)題[23]。

3.2 生物3D打印結(jié)合器官芯片助力器官再造

近年來(lái)，3D打印技術(shù)與其他技術(shù)的交叉融合也產(chǎn)生出多種新型設(shè)備、新興應(yīng)用。如靜電紡絲技術(shù)結(jié)合生物3D打印技術(shù)用于構(gòu)建微納米表面的組織修復(fù)支架，提高支架仿生程度和生物相容性；載細(xì)胞可注射微球結(jié)合生物3D打印技術(shù)形成高細(xì)胞載量、模塊化的生物墨水，用于制備功能化組織修復(fù)支架等。在器官再造方面，隨著對(duì)器官發(fā)育復(fù)雜調(diào)控基礎(chǔ)研究的不斷深入，催生出對(duì)類器官模型、器官芯片技術(shù)、生物3D打印技術(shù)相結(jié)合的前沿研究方向。

隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，在芯片上構(gòu)建仿生微器官來(lái)替代生物體研究和進(jìn)行藥物評(píng)估等已成為構(gòu)建未來(lái)新藥評(píng)價(jià)體系的重要發(fā)展趨勢(shì)。將3D打印技術(shù)在微組織構(gòu)建和器官再造等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與微流控芯片技術(shù)整合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器官疾病機(jī)制的研究和相關(guān)藥物的開(kāi)發(fā)與評(píng)估，是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究中的一個(gè)重要方向[24]。器官芯片與傳統(tǒng)培養(yǎng)方式最大的不同在于其動(dòng)態(tài)灌注的特性。

Zohar等[25]利用其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的高通量血管工程芯片，研究了液體灌注環(huán)境對(duì)于上皮細(xì)胞遷移和血管網(wǎng)絡(luò)生成之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在適宜的灌注條件下，血管的生成速度是靜止條件下的兩倍，證明了器官模型培養(yǎng)中動(dòng)態(tài)灌注條件的重要性。器官芯片另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以精細(xì)到微米，以滿足某些細(xì)胞的特殊需求。Yamamoto等[26]利用3D打印制備了相互分離的雙腔培養(yǎng)體系（分為神經(jīng)培養(yǎng)腔和肌肉培養(yǎng)腔）和連接雙腔的微米級(jí)流道，通過(guò)精密控制的微小流道，引導(dǎo)神經(jīng)軸突從神經(jīng)培養(yǎng)腔長(zhǎng)入肌肉培養(yǎng)腔，組成一個(gè)微小的神經(jīng)肌肉單元。由于神經(jīng)、肌肉獨(dú)立培養(yǎng)，解決了傳統(tǒng)肌肉神經(jīng)共培養(yǎng)下難以分開(kāi)控制的缺點(diǎn)，證實(shí)了該微小神經(jīng)肌肉接頭單元有望實(shí)現(xiàn)重癥肌無(wú)力相關(guān)的藥物測(cè)試，為藥物篩選開(kāi)辟了新的途徑。Lind等[27]利用3D打印技術(shù)，以多種材料混合作為墨水，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)在芯片內(nèi)構(gòu)建了電阻傳感器，可根據(jù)電阻的變化推算心肌組織的收縮力，并用一種簡(jiǎn)單的、可視化的、非侵入性的方式持續(xù)采集心肌組織的數(shù)據(jù)，該芯片可以用于心肌類藥物藥效的研究。

器官芯片發(fā)展迅速，憑借微流控平臺(tái)高精度、動(dòng)態(tài)灌注、體積微小、高通量的特點(diǎn)，為類器官的培養(yǎng)提供了良好的條件，3D打印加持下的芯片流道設(shè)計(jì)也可以做到更加精巧。但作為器官芯片主體的“器官”部分卻還停留在2D或2.5D階段，大部分器官芯片只能做到單層的細(xì)胞培養(yǎng)。如何重現(xiàn)天然復(fù)雜的三維器官結(jié)構(gòu)仍是制約器官芯片發(fā)展的關(guān)鍵因素，而立體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)造恰好是生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，相信隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，問(wèn)題也將迎刃而解。

4 生物3D打印在器官再造領(lǐng)域的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

以往有關(guān)生物3D打印器官的研究被大量報(bào)道，但尚未能構(gòu)建出可進(jìn)行體內(nèi)移植的人工器官，其涉及材料、細(xì)胞、微環(huán)境、3D打印結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面，以下簡(jiǎn)要總結(jié)生物3D打印在人工器官構(gòu)建中的難點(diǎn)問(wèn)題和重點(diǎn)問(wèn)題。

4.1 生物3D打印器官的仿生結(jié)構(gòu)

生物3D打印器官的生理功能與其三維結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，該三維結(jié)構(gòu)需要從3個(gè)方面與人體組織進(jìn)行匹配：（1）厘米尺度上人工器官的形態(tài)需要與解剖學(xué)形態(tài)匹配；（2）微米尺度上人工器官的多孔結(jié)構(gòu)需要與組織、細(xì)胞生長(zhǎng)需求匹配；（3）亞微米尺度上人工器官的材料表面形貌需要與細(xì)胞生長(zhǎng)、分化需求匹配。前兩者可以通過(guò)3D打印切片程序進(jìn)行調(diào)控，后者需要結(jié)合工藝制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

微米尺度的多孔結(jié)構(gòu)方面，生物3D打印研究最常用的三維結(jié)構(gòu)是0°和90°交替排列的“田字形”網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)打印的路徑規(guī)劃簡(jiǎn)單、成型難度低，可有效為細(xì)胞提供黏附生長(zhǎng)空間，為物質(zhì)交換提供連通的孔道，為組織長(zhǎng)入提供空間。但隨著研究深入，蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)、松質(zhì)骨仿生結(jié)構(gòu)等被陸續(xù)提出，并證實(shí)特定的仿生結(jié)構(gòu)，在支架表面積、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換率、生物力學(xué)性質(zhì)上可能優(yōu)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[28]。

亞微米尺度的材料表面形貌特征對(duì)細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)、分化具有重要影響。3D打印與靜電紡絲、相分離、微圖案化等技術(shù)方法相結(jié)合，可以在3D打印的微米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，添加亞微米或納米級(jí)的纖維紋理。一方面，可促進(jìn)細(xì)胞的定向排列生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)組織各向異性的仿生誘導(dǎo)，構(gòu)建出器官的組織仿生層次[29]；另一方面，亞微米尺度的纖維紋理可引起細(xì)胞骨架、整合素重排，影響細(xì)胞的黏附、遷移，以及某些特定的定向分化功能。在功能仿生方面，也有仿生分層結(jié)構(gòu)模擬自然界超疏水表面和不同顏色偏振的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)變色和光學(xué)傳感功能；仿生結(jié)構(gòu)結(jié)合響應(yīng)性材料，可構(gòu)建條件響應(yīng)的功能化器官[30]。

仿生結(jié)構(gòu)不是單純意義上對(duì)天然器官形態(tài)的仿生模擬，而是對(duì)器官功能構(gòu)建相關(guān)結(jié)構(gòu)特征的仿生。仿生結(jié)構(gòu)的探索需要充分結(jié)合體內(nèi)外研究，篩選適宜器官再造的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件，如對(duì)細(xì)胞分化有利的微孔形狀、對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換有利的孔隙率等。

4.2 生物3D打印器官的功能構(gòu)建

生物3D打印器官的構(gòu)建難點(diǎn)，在于維持人工器官的存活和運(yùn)作。為了維持人工器官的生物活性，需要實(shí)現(xiàn)器官的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換功能，因此血管化必不可少。有研究對(duì)多層組織進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)如果組織結(jié)構(gòu)的厚度>500 μm，則無(wú)法通過(guò)單純的物質(zhì)擴(kuò)散來(lái)為細(xì)胞供給營(yíng)養(yǎng)，需要血管網(wǎng)絡(luò)[31]。以往的研究工作發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)環(huán)境會(huì)誘發(fā)血管新生長(zhǎng)入移植的人工組織中，但其生長(zhǎng)速率和血管網(wǎng)絡(luò)形態(tài)是不可控且不理想的[32]。相比較下，來(lái)源于供者的移植器官由于保留了血管組織，血管吻合后即可恢復(fù)血供，體現(xiàn)出構(gòu)建的人工器官和天然器官在形態(tài)和功能上仍存在較大差距。目前，已有多種方法可實(shí)現(xiàn)生物3D打印器官的血管化：（1）3D打印犧牲材料預(yù)留血管通道[33]。在人工器官制備時(shí)去除犧牲材料從而預(yù)留出血管通道，并采用共培養(yǎng)或灌注培養(yǎng)的方法誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞形成血管樣組織，該方法有效建立了氣管內(nèi)部的血管網(wǎng)絡(luò)，但對(duì)于復(fù)雜走形和細(xì)末分支的血管構(gòu)建存在困難。（2）同軸3D打印制作中空結(jié)構(gòu)血管樣通道[31]。同軸打印可構(gòu)建核、殼層結(jié)構(gòu)兩種材料，或是內(nèi)層中空的結(jié)構(gòu)，該方法構(gòu)建的器官血管網(wǎng)絡(luò)分布廣泛且均勻，但對(duì)于血管分支構(gòu)建存在困難。（3）體外及體內(nèi)的預(yù)血管化培養(yǎng)[34]。打印完成的人工器官，在灌流裝置中誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞形成血管網(wǎng)絡(luò)，或是暫時(shí)移植于受體皮下進(jìn)行血管化誘導(dǎo)。（4）生物因素調(diào)控血管新生。在生物墨水體系中加入血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、堿性成纖維生長(zhǎng)因子（basic fibroblast growth factor，bFGF），促進(jìn)血管生成。上述生物3D打印器官血管化策略旨在通過(guò)血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提高人工器官的生物活性，維持其存活，但對(duì)于器官移植手術(shù)的血管吻合，則需要生物3D打印的多組織構(gòu)建。

為了滿足移植需要并實(shí)現(xiàn)器官的生理功能，需要多細(xì)胞協(xié)同打印，且特定器官需實(shí)現(xiàn)特定的生理功能?，F(xiàn)階段生物3D打印多利用單一功能的細(xì)胞作為生物活性成分，然而器官作為多種組織結(jié)合構(gòu)成的單位，包括了單種細(xì)胞無(wú)法模擬的復(fù)雜功能。有研究人員利用手術(shù)切除的部分肝臟，打印出了具備真正肝臟大部分功能的微型肝臟[35]。由此可見(jiàn)，要通過(guò)生物3D打印實(shí)現(xiàn)器官再造，需要多組織協(xié)同打印。在打印設(shè)備方面，目前通過(guò)多個(gè)打印料倉(cāng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多材料和多細(xì)胞打?。辉诮M織層次構(gòu)建方面，也可以通過(guò)路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)分區(qū)打印，但是難點(diǎn)在于打印后的組織培養(yǎng)和功能重建。以心臟為例，心肌組織的組織形態(tài)具有多層、各向異性特點(diǎn)，需要調(diào)控三層心肌細(xì)胞按照內(nèi)縱、中環(huán)、外斜的解剖結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，并且心肌組織需要血管組織的滋養(yǎng)，以及肌肉-神經(jīng)接頭以響應(yīng)節(jié)律性搏動(dòng)。對(duì)于心房心室結(jié)構(gòu)的微型心臟打印、心肌-神經(jīng)接頭打印、各向異性心肌組織打印，目前只有單一研究的工作，未有多組織協(xié)同打印。生物3D打印的多細(xì)胞協(xié)同打印已經(jīng)引起了科研領(lǐng)域的重視和關(guān)注，有研究將腸道細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行分層、分形狀打印，構(gòu)建了多細(xì)胞、可響應(yīng)分泌的類腸道組織，在多組織構(gòu)建方面獲得重要突破[36]。

4.3 生物3D打印器官引起的免疫反應(yīng)

器官移植受者的預(yù)后與其自身的免疫狀態(tài)密切相關(guān)[37]。為維持移植器官的長(zhǎng)期存活與功能，大量的免疫抑制劑被應(yīng)用于器官移植受者，以至于機(jī)體長(zhǎng)期處于免疫抑制狀態(tài)，較大程度上增加了感染與癌變的風(fēng)險(xiǎn)[38]。在通過(guò)生物3D打印制作人工器官時(shí)，使用生物相容性良好的生物材料和自體來(lái)源的細(xì)胞，將有效降低排斥反應(yīng)發(fā)生的可能，但仍存在多種潛在導(dǎo)致排斥反應(yīng)的因素。

構(gòu)建生物3D打印器官的原料需多方面考慮免疫反應(yīng)的可能。與同種異體器官移植不同，生物材料的多樣性使其涉及的免疫反應(yīng)更為復(fù)雜，但除了少數(shù)生物源性材料，一般不涉及嚴(yán)重的排斥反應(yīng)[39]。其中，超急性排斥反應(yīng)、急性排斥反應(yīng)與移植器官表面抗原及人類白細(xì)胞抗原（human leukocyte antigen，HLA）組織配型相關(guān)，而3D打印器官所用生物材料上一般不含有上述生物標(biāo)志物，材料中所包含的種子細(xì)胞一般也是自體細(xì)胞，所以較少發(fā)生這兩類排斥反應(yīng)。對(duì)于生物材料引起的免疫反應(yīng)，以異物反應(yīng)和慢性排斥反應(yīng)較為常見(jiàn)，主要表現(xiàn)為急性期炎癥反應(yīng)：巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞遷移并黏附于移植區(qū)域，大量的組胺、趨化因子、蛋白水解酶、活性氧釋放；而后進(jìn)入慢性期，在干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）等促炎因子激活的M1型巨噬細(xì)胞的作用下，持續(xù)誘導(dǎo)肉芽組織生長(zhǎng)和組織纖維化，導(dǎo)致移植器官的纖維化、瘢痕化[40]。另一方面，生物材料的降解速率和降解產(chǎn)物需與組織匹配。如聚乳酸材料雖然生物相容性良好，但其長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的緩慢降解可導(dǎo)致酸性pH環(huán)境誘發(fā)無(wú)菌性炎癥[41]，采用降解速率與機(jī)體匹配且降解產(chǎn)物具有良好組織相容性的生物材料，可以有效降低材料降解后成纖維細(xì)胞瘢痕化填補(bǔ)引起的組織慢性纖維化及慢性排斥反應(yīng)。

改善機(jī)體的創(chuàng)傷微環(huán)境有利于減輕人工器官引起的免疫反應(yīng)。目前關(guān)于生物3D打印組織器官的植入研究，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)多基于損傷后即刻移植的動(dòng)物模型，但病理狀態(tài)和急性創(chuàng)傷條件下機(jī)體往往已經(jīng)發(fā)生了免疫反應(yīng)。根據(jù)以往報(bào)道，應(yīng)對(duì)機(jī)體損傷的免疫反應(yīng)策略包括：（1）以微創(chuàng)方式進(jìn)行移植可減輕炎癥和免疫反應(yīng)；（2）調(diào)控巨噬細(xì)胞的M2極化狀態(tài)可有效改善機(jī)體炎癥微環(huán)境，對(duì)應(yīng)生物材料的理化性質(zhì)，以往研究顯示材料表面親水性、亞微米的粗糙表面形貌、納米級(jí)微孔可招募更多的巨噬細(xì)胞并促進(jìn)M2極化，材料硬度以及機(jī)械刺激對(duì)巨噬細(xì)胞的表型極化也有調(diào)節(jié)作用[42-43]；（3）調(diào)控免疫細(xì)胞與生物材料之間的相互作用，以實(shí)現(xiàn)3D打印器官的免疫耐受[44]，如信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白α（signal regulatory protein α，SIRP α）-CD47有助于髓源性抑制細(xì)胞產(chǎn)生移植物的免疫耐受，避免巨噬細(xì)胞對(duì)人工器官的吞噬[45]。

目前常用于器官打印的生物材料在機(jī)體免疫應(yīng)答中涉及的免疫機(jī)制各不相同，但無(wú)論是器官移植受者自身的成體干細(xì)胞作為生物墨水，還是高分子材料生物墨水，都不可避免遇到移植后炎癥反應(yīng)這一棘手的問(wèn)題，如何妥善降低移植后炎癥反應(yīng)的嚴(yán)重程度將較大程度上決定器官移植受者預(yù)后好壞，這是未來(lái)學(xué)者們需要著重攻克的難題。

5 小 結(jié)

綜上所述，生物3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在器官再造領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被給予相當(dāng)高的期望。雖然當(dāng)下生物3D打印技術(shù)尚無(wú)法構(gòu)建可用于器官移植的產(chǎn)品，存在免疫反應(yīng)、血管化、多組織打印、仿生結(jié)構(gòu)等諸多方面的瓶頸，但這些難題既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。我們有理由相信在不久的將來(lái)，生物3D打印能夠在人工器官制備方面取得突破，推動(dòng)器官移植和個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。