当3D生物打印的人造器官能够取代生物体经过亿万年进化的器官时，人类将逐渐实现长生不老的梦想。而3D生物打印技术无疑是当今最受期望的一项技术。靖哥邀请了3D生物打印的专家何江博士，为大家深度解析3D生物打印的发展现状。

作者简介

2016年5月26日，哈佛大学第365届毕业典礼在 Harvard Yard 隆重举行，何江博士作为毕业生代表致辞，成为登上这个讲台的第一位中国学生。何江，2009年从中国科学技术大学毕业后，进入哈佛大学分子细胞生物学系攻读博士，在导师庄小威教授实验室进行生物光学和超高分辨显微成像在病毒学和神经学中的应用和研究。2015年博士毕业，现于麻省理工大学进行博士后研究。研究内容为组织工程，3D打印人体肝脏的应用，癌症早期检测。哈佛博士期间，他在eLife, PNAS, Plos Pathogens, Nature Methods等等国际著名杂志上发表科研论文9篇，文章引用数量超过500次。同时担任Nano Letters, Briefings in Bioinformatics等10多个杂志审稿人。


3D 生物打印是3D打印技术在生物和医学领域的延伸。近年来随着生物学和工程学领域的创新和突破，3D生物打印取得了长足的发展，其在再生医学、器官移植等方面的应用前景也令人振奋。相对于非生物材料类的打印技术，3D生物打印因为其原材料的复杂性（活的生物细胞）和预设的在人体内的应用（替代或补足病人体内缺陷组织或器官），其实现难度目前仍相对较大。这其中包括打印辅助材料、所要打印的细胞、细胞生长分化因子的合理配置、细胞养分的补充等等因素都要合理的考虑进去，才能保证打印出的生物组织或器官在体内或体外维持较长时间的生物活性和功能。解决这些问题仍需要基础生物学，工程学方面的多学科交流合作以提供更多的突破性进展。考虑到读者对3D打印的基本技术已经比较熟悉，在这篇文章中，我将略去对基本的3D打印方面的介绍，而是着重阐述3D生物打印的技术原理和打印过程中所需要考虑的因素。最后我将以两篇代表性学术论文简介目前3D生物打印领域的进展。

3D生物打印原理

如下图所示，一个典型的3D生物打印步骤如下。首先，需要打印的人体器官或组织通过生物医学成像的手段(如X ray,CT)建立3D模型。经过电脑图像处理后，这些3D模型将作为打印的模板，以此设计具体打印方法。接下来需要选择合适的、具有生物兼容性的支撑材料，作为包裹支撑细胞的介质。具体的器官和组织有独特的细胞类别，需要根据组织和器官的不同来合理选择细胞类别。活细胞和介质材料混合后，就是所谓的“打印墨水”，通过3D打印设备便可以将需要打印的组织或器官一层层的打印出来了。


要实现生物3D打印，首先要考虑的是支撑细胞的介质材料的选择。首先，这些材料需要拥有生物兼容性，在和细胞培养时不能产生毒素；同时需要有一定的可塑性，在必要的时候能够进行降解，允许生物体内细胞产生的物质逐步取代这些介质；最后，介质材料还需要有能够灵活的在固态和液态之间转换的活性才能使得3D打印可行。在组织工程领域，经过科学家多年的研究经验积累，已经有一系列细胞支撑介质材料能够用于3D打印。这其中包括海藻酸钠、明胶、胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白等。这些材料和人体细胞外介质分子物理特性相似，也广泛被应用于体外细胞培养。经过特定的化学或生物酶修饰后，这些介质材料可以通过光，酶，温度控制，实现在液态和凝胶态之间的转换，满足3D打印的要求。

细胞是3D打印材料的主体。细胞来源、量化生产、细胞种类的选择是3D生物打印过程中经常遇到的难点。很多原代培养细胞（刚刚从人体分离出的细胞）增殖能力较差，不少细胞种类甚至难于实现体外培养，这和我们常听说的癌症细胞拥有无限分化增殖能力不同，同时也使得打印某些组织或器官有相当大的难度。另外，任何移植进入人体的异物都会引起机体免疫反应，包括其他途径来源的人体细胞。目前，理论上可以通过干细胞增殖来扩增本体的细胞。但实际上，由于干细胞诱导成特异性细胞的效率仍较低，干细胞诱导出的特异性细胞和成熟的已分化细胞功能仍有一些区别，利用干细胞来增殖这个方式仍需要干细胞领域科学家进一步研究推进。

3D打印的生物组织器官需要真正实现其功能和应用的话，需要在体内或体外保持较长时间的生物活性。对于2D培养的细胞，做到这一点很容易。但对于3D组织来说，就要难很多了。3D培养的组织由于中心区域细胞很难得到养分和氧气，培养过程中细胞代谢产生的废物在3D组织中心也很难排出去，这使得这些细胞往往容易出现坏死，直接影响其生物学功能和应用。正常的组织和器官中，有许多毛细血管的分布来解决养料和氧气的输送问题。但是，在3D打印领域，如何在较大型组织中嵌入充足的、拥有活性的血管组织，仍面临很大的挑战。这也直接影响了3D打印的组织器官首先生物体所需尺寸的打印(scaleup)。

如下图所示，3D生物打印目前有三种比较常见的技术。喷墨打印(Inkjetbioprinter)类似于很多非生物类的打印机，其便宜和易操作性赢得了不少研究组的青睐。像名字所提示的一样，细胞和介质材料在墨盒里以液体状存在。墨盒由一个压电平台控制x,y, z方向上的移动。在墨盒下方，有一个小的喷头。通过喷头处的瞬间加热、或超声施压，喷头将墨盒内的液体分成小液珠。单个的小液珠并不能实现3D打印。但是，在打印出来后，通过进行紫外光或温度的藕联反应，使得液珠在短时间内固化，便可以实现在各个维度上的打印了。这个方法虽简单易操作，但打印速度较慢。同时，由于墨盒内细胞浓度不能太高（否则针头容易被阻塞），很难将打印的组织实现和人体内一致的细胞密度。


微挤压打印机(microextrusionbioprinter)是目前最常用的生物3D打印机。和喷墨打印不同的是，墨盒内的细胞不再是液体状，而可以是凝胶状。通过使用合理的细胞外介质材料，拥有足够密度的细胞和介质材料混合，在墨盒内通过压力逐渐挤出。挤出后的细胞可以按电脑程序设置的图像排列，实现合理分布和排列组织细胞。这一方法解决了细胞密度问题，也加快了打印速度。但由于细胞受压，细胞存活率会受到一定影响。

激光辅助的生物打印机(laser-assistedbioprinter)相对前两种价格上要稍贵，普及度上也不如前两种仪器。它利用激光脉冲产生的压力，推动贴在一能量吸收板(engeryabsorbing layer)的细胞与介质混合物。受到激光中心照射的细胞会被推入预设的位置，从而实现3D打印。对比于前两种方法，该方法细胞存活率较高，打印精度也比较高。但准备墨盒（贴在吸收板上的细胞与介质混合物）过程复杂，限制了其大规模应用。

3D生物打印进展

接下来，我以2016年JenniferLewis和AnthonyAtala两个研究组在Proceedingsof National Academy of Sciences (PNAS), Nature Biotechnology 分别发表的两篇研究论文来细讲3D生物打印的最新进展。Lewis研究组隶属于哈佛大学工程与应用科学学院，WyssInstitute 核心研究员。其研究组在3D打印技术研发、材料科学等多方面都有许多突破性成果，是3D打印领域的领军人物之一,近年来开始进入3D生物打印领域，并取得了许多非常引人注目的成果。Atala研究组位于WakeForest 医学院.医生背景的Anthony在3D领域从生物材料入手，在干细胞研究、泌尿科医学、3D打印人体器官有相当多的建树，为3D生物打印的领军人。他曾在TED做过3D生物打印的报告目前，Anthony课题组在将3D打印出来的人体器官在动物和临床实验的推进中走在世界最前沿。2016年，这两个研究组分别发表了他们在3D打印较大型人体组织的文章。可以说，这两篇文章为目前3D生物打印行业树立了一个新标杆。他们的研究也解决了不少目前3D生物打印的难题。

如上所述，组织工程领域内一个很大的瓶颈是在打印或重组3D组织内，人工血管难以模拟出体内复杂的通路，这导致在打印较大型的3D组织或器官在长时间培养时，部分细胞或组织因为缺少养分、氧气和难以排泄代谢废弃物而容易坏死。在这篇文章中，Atala研究组研发除了一个新的3D生物打印系统（Integrated tissue-organ printer），简称ITOP打印机。它能够打印出相对稳定的，和人体器官组织尺度类似的，任何形状的组织结构。

ITOP的原理示意图如下图。在打印之初，研究人员首先将需要打印的器官或组织进行生物医学成像(譬如CT)。合成的3D模型在电脑内经过处理，成为3D打印机打印的模板。进行生物打印时，该系统使用的是microextrusion类别的打印机。但和常用的microextrusion打印机不同的是，Atala研究组对打印机的墨盒系统进行了升级。除了打印出包含细胞的水凝胶外，该打印系统多添加了打印多个其他支撑材料的墨盒(Multi-cartridgemodule)。通过这些额外的墨盒针头，打印出能够在打印初期支撑细胞成复杂三维形状的，及后期会自动降解的聚合物。这些额外支撑聚合物的加入，不仅使得3D打印的器官形式更加多变，也能够帮助引进细微的管道，使得养分和氧气在打印出来的器官中供应充足。这就间接地解决了3D打印的生物器官容易坏死的问题。


ITOP系统简介。该系统基于微挤压生物打印机。A)ITOP打印系统由三个主要的部件组成：1）三维方向打印控制台，2）多个细胞墨盒和压力生成控制器，用于推动墨盒内细胞和介质的输出。3）温度和湿度控制器。B)示意图显示由介质材料包裹的细胞（红色和绿色），以及支撑该细胞的额外介质材料(PCL)。这些条形材料之间的微孔和管道能够帮助养料和氧气的运输。C)打印程序。通过成像扫描出的人耳，经过处理成为打印模型进行实际打印。

Atala研究组利用这个技术分别打印了耳朵，下颚骨，软骨组织，肌肉组织。非常令人眼睛一亮的是，这些组织不只是一团拼贴在一起的生物细胞。研究人员把这些打印的组织移植进入了老鼠体内，并进行了一系列体内老鼠实验（组织切片和功能性研究）。如下图所示的肌肉组织，在打印出肌肉细胞后，研究人员把该组织移植进入了老鼠大腿。打印的器官不仅能够在老鼠体内存活，并表现出了一定的肌肉拉伸活性。


肌肉纤维打印。A) 和B) 程序设计需要打印的肌肉纤维模型，利用电脑合理安排细胞层和支撑层的材料，模拟体内肌肉纤维状况。C)打印出的肌肉纤维雏形。D)和E) 肌肉纤维模型中介质支撑材料PCL的支柱(PCLpillar)能够稳定细胞排列。D)为有支柱时细胞排列，E)为没有支柱时的排列。F)和G)打印出的肌肉细胞染色，该组织细胞呈现良好生物活性。H-J)打印出的肌肉纤维组织移植进入老鼠大腿。

在解决3D打印器官的氧气、养分供应和代谢物排泄问题上，Lewis研究组采取的是一个不同的研究思路。对比于利用打印材料留下的微管道，Lewis研究组决定直接打印出细微的血管结构，在打印好这些血管结构后，再进一步打印出需要的其他细胞。

其原理示意图如下。首先，通过3D打印机打印出一种能够随着温度在固态和液态之间灵活转变的水凝胶管道，作为血管的雏形（i）。随后，在血管雏形管道之外，覆盖打印上细胞外介质材料和属于该组织的生物细胞(ii)。通过改变温度，将第一步打印出的水凝胶管道溶解(iii),最后，通过外面连接的生物泵，将能够形成人体血管的血管壁细胞泵入(iv),这样，一个3D打印的含有血管通路的组织就完成了。


实验组模拟打印的器官图如下。由于这些血管的分布，周围组织能够容易的得到养分供应。Lewis实验组的数据显示，这些打印出的器官能够在体外存活超过六周，而不出现组织坏死的状况。这是目前为止大型打印器官在体外培养能够存活的最长时间。

生物打印血管和多种组织细胞共存的3D组织. A) 红色为打印的血管，绿色和蓝色为两种不同的细胞。B)打印出的芯片结构图C)对比拥有血管（右图）和没有血管（左图）的芯片组织。D)打印的组织的细胞荧光染色

值得指出的是，这种先打印出血管，再打印其他组织的研究思路并不是第一次出现。波士顿大学生物工程系的ChristopherChen在2012年曾经就利用碳水化合物玻璃(carbohydrateglass)打印出血管管道，并在此基础上进行3D细胞培养(Milleret al, Nature Materials, 2012)。不过，在当时的培养体系中，血管外细胞的排列和重组并没能像这篇文章一样，可以自由调控，这也是3D打印在重组复杂器官组织时的一个优势。

结语

相对于3D打印的其他行业，3D生物打印起步较晚，也因为生物材料的独特性能和要求，以及临床实验的难度，目前打印出的人体器官很少有直接使用于人体的。3D生物打印的发展，仍然需要研究人员攻克所打印组织的血管分布，打印器官和宿主的兼容性，仪器打印原材料（细胞）的量化生产等难题。另外，人体不同的器官、组织复杂性各异，越是复杂的器官（譬如大脑），越难在体外真正模拟出其生物学活性和功能。随着3D生物打印的进一步发展，相信这些问题会得到更进一步的解决。

来源：靖哥3D

当3D生物打印的人造器官能够取代生物体经过亿万年进化的器官时，人类将逐渐实现长生不老的梦想。而3D生物打印技术无疑是当今最受期望的一项技术。靖哥邀请了3D生物打印的专家何江博士，为大家深度解析3D生物打印的发展现状。

作者简介

2016年5月26日，哈佛大学第365届毕业典礼在 Harvard Yard 隆重举行，何江博士作为毕业生代表致辞，成为登上这个讲台的第一位中国学生。何江，2009年从中国科学技术大学毕业后，进入哈佛大学分子细胞生物学系攻读博士，在导师庄小威教授实验室进行生物光学和超高分辨显微成像在病毒学和神经学中的应用和研究。2015年博士毕业，现于麻省理工大学进行博士后研究。研究内容为组织工程，3D打印人体肝脏的应用，癌症早期检测。哈佛博士期间，他在eLife, PNAS, Plos Pathogens, Nature Methods等等国际著名杂志上发表科研论文9篇，文章引用数量超过500次。同时担任Nano Letters, Briefings in Bioinformatics等10多个杂志审稿人。


3D 生物打印是3D打印技术在生物和医学领域的延伸。近年来随着生物学和工程学领域的创新和突破，3D生物打印取得了长足的发展，其在再生医学、器官移植等方面的应用前景也令人振奋。相对于非生物材料类的打印技术，3D生物打印因为其原材料的复杂性（活的生物细胞）和预设的在人体内的应用（替代或补足病人体内缺陷组织或器官），其实现难度目前仍相对较大。这其中包括打印辅助材料、所要打印的细胞、细胞生长分化因子的合理配置、细胞养分的补充等等因素都要合理的考虑进去，才能保证打印出的生物组织或器官在体内或体外维持较长时间的生物活性和功能。解决这些问题仍需要基础生物学，工程学方面的多学科交流合作以提供更多的突破性进展。考虑到读者对3D打印的基本技术已经比较熟悉，在这篇文章中，我将略去对基本的3D打印方面的介绍，而是着重阐述3D生物打印的技术原理和打印过程中所需要考虑的因素。最后我将以两篇代表性学术论文简介目前3D生物打印领域的进展。

3D生物打印原理

如下图所示，一个典型的3D生物打印步骤如下。首先，需要打印的人体器官或组织通过生物医学成像的手段(如X ray,CT)建立3D模型。经过电脑图像处理后，这些3D模型将作为打印的模板，以此设计具体打印方法。接下来需要选择合适的、具有生物兼容性的支撑材料，作为包裹支撑细胞的介质。具体的器官和组织有独特的细胞类别，需要根据组织和器官的不同来合理选择细胞类别。活细胞和介质材料混合后，就是所谓的“打印墨水”，通过3D打印设备便可以将需要打印的组织或器官一层层的打印出来了。


要实现生物3D打印，首先要考虑的是支撑细胞的介质材料的选择。首先，这些材料需要拥有生物兼容性，在和细胞培养时不能产生毒素；同时需要有一定的可塑性，在必要的时候能够进行降解，允许生物体内细胞产生的物质逐步取代这些介质；最后，介质材料还需要有能够灵活的在固态和液态之间转换的活性才能使得3D打印可行。在组织工程领域，经过科学家多年的研究经验积累，已经有一系列细胞支撑介质材料能够用于3D打印。这其中包括海藻酸钠、明胶、胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白等。这些材料和人体细胞外介质分子物理特性相似，也广泛被应用于体外细胞培养。经过特定的化学或生物酶修饰后，这些介质材料可以通过光，酶，温度控制，实现在液态和凝胶态之间的转换，满足3D打印的要求。

细胞是3D打印材料的主体。细胞来源、量化生产、细胞种类的选择是3D生物打印过程中经常遇到的难点。很多原代培养细胞（刚刚从人体分离出的细胞）增殖能力较差，不少细胞种类甚至难于实现体外培养，这和我们常听说的癌症细胞拥有无限分化增殖能力不同，同时也使得打印某些组织或器官有相当大的难度。另外，任何移植进入人体的异物都会引起机体免疫反应，包括其他途径来源的人体细胞。目前，理论上可以通过干细胞增殖来扩增本体的细胞。但实际上，由于干细胞诱导成特异性细胞的效率仍较低，干细胞诱导出的特异性细胞和成熟的已分化细胞功能仍有一些区别，利用干细胞来增殖这个方式仍需要干细胞领域科学家进一步研究推进。

3D打印的生物组织器官需要真正实现其功能和应用的话，需要在体内或体外保持较长时间的生物活性。对于2D培养的细胞，做到这一点很容易。但对于3D组织来说，就要难很多了。3D培养的组织由于中心区域细胞很难得到养分和氧气，培养过程中细胞代谢产生的废物在3D组织中心也很难排出去，这使得这些细胞往往容易出现坏死，直接影响其生物学功能和应用。正常的组织和器官中，有许多毛细血管的分布来解决养料和氧气的输送问题。但是，在3D打印领域，如何在较大型组织中嵌入充足的、拥有活性的血管组织，仍面临很大的挑战。这也直接影响了3D打印的组织器官首先生物体所需尺寸的打印(scaleup)。

如下图所示，3D生物打印目前有三种比较常见的技术。喷墨打印(Inkjetbioprinter)类似于很多非生物类的打印机，其便宜和易操作性赢得了不少研究组的青睐。像名字所提示的一样，细胞和介质材料在墨盒里以液体状存在。墨盒由一个压电平台控制x,y, z方向上的移动。在墨盒下方，有一个小的喷头。通过喷头处的瞬间加热、或超声施压，喷头将墨盒内的液体分成小液珠。单个的小液珠并不能实现3D打印。但是，在打印出来后，通过进行紫外光或温度的藕联反应，使得液珠在短时间内固化，便可以实现在各个维度上的打印了。这个方法虽简单易操作，但打印速度较慢。同时，由于墨盒内细胞浓度不能太高（否则针头容易被阻塞），很难将打印的组织实现和人体内一致的细胞密度。


微挤压打印机(microextrusionbioprinter)是目前最常用的生物3D打印机。和喷墨打印不同的是，墨盒内的细胞不再是液体状，而可以是凝胶状。通过使用合理的细胞外介质材料，拥有足够密度的细胞和介质材料混合，在墨盒内通过压力逐渐挤出。挤出后的细胞可以按电脑程序设置的图像排列，实现合理分布和排列组织细胞。这一方法解决了细胞密度问题，也加快了打印速度。但由于细胞受压，细胞存活率会受到一定影响。

激光辅助的生物打印机(laser-assistedbioprinter)相对前两种价格上要稍贵，普及度上也不如前两种仪器。它利用激光脉冲产生的压力，推动贴在一能量吸收板(engeryabsorbing layer)的细胞与介质混合物。受到激光中心照射的细胞会被推入预设的位置，从而实现3D打印。对比于前两种方法，该方法细胞存活率较高，打印精度也比较高。但准备墨盒（贴在吸收板上的细胞与介质混合物）过程复杂，限制了其大规模应用。

3D生物打印进展

接下来，我以2016年JenniferLewis和AnthonyAtala两个研究组在Proceedingsof National Academy of Sciences (PNAS), Nature Biotechnology 分别发表的两篇研究论文来细讲3D生物打印的最新进展。Lewis研究组隶属于哈佛大学工程与应用科学学院，WyssInstitute 核心研究员。其研究组在3D打印技术研发、材料科学等多方面都有许多突破性成果，是3D打印领域的领军人物之一,近年来开始进入3D生物打印领域，并取得了许多非常引人注目的成果。Atala研究组位于WakeForest 医学院.医生背景的Anthony在3D领域从生物材料入手，在干细胞研究、泌尿科医学、3D打印人体器官有相当多的建树，为3D生物打印的领军人。他曾在TED做过3D生物打印的报告目前，Anthony课题组在将3D打印出来的人体器官在动物和临床实验的推进中走在世界最前沿。2016年，这两个研究组分别发表了他们在3D打印较大型人体组织的文章。可以说，这两篇文章为目前3D生物打印行业树立了一个新标杆。他们的研究也解决了不少目前3D生物打印的难题。

如上所述，组织工程领域内一个很大的瓶颈是在打印或重组3D组织内，人工血管难以模拟出体内复杂的通路，这导致在打印较大型的3D组织或器官在长时间培养时，部分细胞或组织因为缺少养分、氧气和难以排泄代谢废弃物而容易坏死。在这篇文章中，Atala研究组研发除了一个新的3D生物打印系统（Integrated tissue-organ printer），简称ITOP打印机。它能够打印出相对稳定的，和人体器官组织尺度类似的，任何形状的组织结构。

ITOP的原理示意图如下图。在打印之初，研究人员首先将需要打印的器官或组织进行生物医学成像(譬如CT)。合成的3D模型在电脑内经过处理，成为3D打印机打印的模板。进行生物打印时，该系统使用的是microextrusion类别的打印机。但和常用的microextrusion打印机不同的是，Atala研究组对打印机的墨盒系统进行了升级。除了打印出包含细胞的水凝胶外，该打印系统多添加了打印多个其他支撑材料的墨盒(Multi-cartridgemodule)。通过这些额外的墨盒针头，打印出能够在打印初期支撑细胞成复杂三维形状的，及后期会自动降解的聚合物。这些额外支撑聚合物的加入，不仅使得3D打印的器官形式更加多变，也能够帮助引进细微的管道，使得养分和氧气在打印出来的器官中供应充足。这就间接地解决了3D打印的生物器官容易坏死的问题。


ITOP系统简介。该系统基于微挤压生物打印机。A)ITOP打印系统由三个主要的部件组成：1）三维方向打印控制台，2）多个细胞墨盒和压力生成控制器，用于推动墨盒内细胞和介质的输出。3）温度和湿度控制器。B)示意图显示由介质材料包裹的细胞（红色和绿色），以及支撑该细胞的额外介质材料(PCL)。这些条形材料之间的微孔和管道能够帮助养料和氧气的运输。C)打印程序。通过成像扫描出的人耳，经过处理成为打印模型进行实际打印。

Atala研究组利用这个技术分别打印了耳朵，下颚骨，软骨组织，肌肉组织。非常令人眼睛一亮的是，这些组织不只是一团拼贴在一起的生物细胞。研究人员把这些打印的组织移植进入了老鼠体内，并进行了一系列体内老鼠实验（组织切片和功能性研究）。如下图所示的肌肉组织，在打印出肌肉细胞后，研究人员把该组织移植进入了老鼠大腿。打印的器官不仅能够在老鼠体内存活，并表现出了一定的肌肉拉伸活性。


肌肉纤维打印。A) 和B) 程序设计需要打印的肌肉纤维模型，利用电脑合理安排细胞层和支撑层的材料，模拟体内肌肉纤维状况。C)打印出的肌肉纤维雏形。D)和E) 肌肉纤维模型中介质支撑材料PCL的支柱(PCLpillar)能够稳定细胞排列。D)为有支柱时细胞排列，E)为没有支柱时的排列。F)和G)打印出的肌肉细胞染色，该组织细胞呈现良好生物活性。H-J)打印出的肌肉纤维组织移植进入老鼠大腿。

在解决3D打印器官的氧气、养分供应和代谢物排泄问题上，Lewis研究组采取的是一个不同的研究思路。对比于利用打印材料留下的微管道，Lewis研究组决定直接打印出细微的血管结构，在打印好这些血管结构后，再进一步打印出需要的其他细胞。

其原理示意图如下。首先，通过3D打印机打印出一种能够随着温度在固态和液态之间灵活转变的水凝胶管道，作为血管的雏形（i）。随后，在血管雏形管道之外，覆盖打印上细胞外介质材料和属于该组织的生物细胞(ii)。通过改变温度，将第一步打印出的水凝胶管道溶解(iii),最后，通过外面连接的生物泵，将能够形成人体血管的血管壁细胞泵入(iv),这样，一个3D打印的含有血管通路的组织就完成了。


实验组模拟打印的器官图如下。由于这些血管的分布，周围组织能够容易的得到养分供应。Lewis实验组的数据显示，这些打印出的器官能够在体外存活超过六周，而不出现组织坏死的状况。这是目前为止大型打印器官在体外培养能够存活的最长时间。

生物打印血管和多种组织细胞共存的3D组织. A) 红色为打印的血管，绿色和蓝色为两种不同的细胞。B)打印出的芯片结构图C)对比拥有血管（右图）和没有血管（左图）的芯片组织。D)打印的组织的细胞荧光染色

值得指出的是，这种先打印出血管，再打印其他组织的研究思路并不是第一次出现。波士顿大学生物工程系的ChristopherChen在2012年曾经就利用碳水化合物玻璃(carbohydrateglass)打印出血管管道，并在此基础上进行3D细胞培养(Milleret al, Nature Materials, 2012)。不过，在当时的培养体系中，血管外细胞的排列和重组并没能像这篇文章一样，可以自由调控，这也是3D打印在重组复杂器官组织时的一个优势。

结语

相对于3D打印的其他行业，3D生物打印起步较晚，也因为生物材料的独特性能和要求，以及临床实验的难度，目前打印出的人体器官很少有直接使用于人体的。3D生物打印的发展，仍然需要研究人员攻克所打印组织的血管分布，打印器官和宿主的兼容性，仪器打印原材料（细胞）的量化生产等难题。另外，人体不同的器官、组织复杂性各异，越是复杂的器官（譬如大脑），越难在体外真正模拟出其生物学活性和功能。随着3D生物打印的进一步发展，相信这些问题会得到更进一步的解决。

来源：靖哥3D