3D細(xì)胞打印技術(shù)的應(yīng)用

更新時(shí)間：2023-08-22 點(diǎn)擊次數(shù)：1251

過去15年左右，夢想推動(dòng)了生物3D打印領(lǐng)域的投資和研究。生物3D打印技術(shù)是根據(jù)仿生形態(tài)、生物結(jié)構(gòu)或生物功能、細(xì)胞的微環(huán)境等要求，采用“三維打印"技術(shù)制造生物單元（細(xì)胞/蛋白質(zhì)/DNA等）和生物材料。 "技術(shù)手段制作個(gè)性化的體外三維結(jié)構(gòu)模型或三維生物功能結(jié)構(gòu)。

其科學(xué)研究、技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展廣泛涉及以下方面：生物3D打印設(shè)備和生物墨水的開發(fā)與制造、醫(yī)療器械制造、復(fù)雜組織工程支架制造、功能結(jié)構(gòu)制造等。
生物3D打印作為一個(gè)新興的交叉前沿技術(shù)領(lǐng)域，目前受到許多國家戰(zhàn)略重視。

生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)所用生物材料的不同特性，清華大學(xué)生物3D打印中心將其分為4個(gè)等級。

1級

無生物相容性要求的打印材料可用于3D打印體外病例模型、手術(shù)導(dǎo)板、3D打印體外假肢或骨科輔助器具等，這一層面的應(yīng)用極大發(fā)揮了3D打印在個(gè)性化定制方面的優(yōu)勢，幫助相關(guān)患者量身定制相關(guān)手術(shù)模型或治療工具，讓患者得到更好的治療。

2級

印刷材料采用生物相容性但不可降解的材料。這種印刷產(chǎn)品可以用作體內(nèi)的長期植入物。該材料可以是例如鈦合金金屬，或惰性聚合物材料。 T3D打印金屬植入物制造商（愛康醫(yī)療）已獲得多個(gè)CFDA上市許可，產(chǎn)品已應(yīng)用于臨床。

3級

打印具有良好生物相容性和可降解性的生物材料，主要應(yīng)用領(lǐng)域是打印組織工程支架。此外。它要求打印的植入物不僅要與身體相容，還要具有可生物降解的特性，并能在一段時(shí)間內(nèi)促進(jìn)體內(nèi)有缺陷的組織的生長和愈合。

清華大學(xué)生物制造中心的3D打印低溫沉積制造技術(shù)，融合了生物3D打印和冷凍干燥顯微造孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。既可以實(shí)現(xiàn)宏觀可控孔隙（100微米），又可以實(shí)現(xiàn)微觀微絲孔隙。

3D打印組織工程支架提高了支架內(nèi)的細(xì)胞種植率，更有利于支架內(nèi)部細(xì)胞的生長和組織功能的實(shí)現(xiàn)。在骨組織工程支架領(lǐng)域得到良好應(yīng)用，并開始轉(zhuǎn)化為臨床。

4級

細(xì)胞3D打印技術(shù)可以直接以細(xì)胞、蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)（蛋白質(zhì)、DNA、生長因子）為基本單位。它直接構(gòu)建體外生物結(jié)構(gòu)、組織或器官模型。

細(xì)胞3D打印的技術(shù)挑戰(zhàn)

細(xì)胞（生物）3D打印技術(shù)是目前前沿的技術(shù)，也是器官打印潛力最大的技術(shù)。在打印過程中，細(xì)胞不可避免地會(huì)承受一定的機(jī)械力，甚至造成一定的損傷。因此，細(xì)胞3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)充滿了各種技術(shù)挑戰(zhàn)。細(xì)胞3D打印的技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面：

材料可以打印嗎？

首先，我們要選擇生物3D打印機(jī)可以打印的生物材料/生物墨水。不同的印刷工藝對生物鏈接的粘度有不同的要求。粘度太低或太高的生物墨水都難以打印。因此，細(xì)胞3D打印的首要挑戰(zhàn)是尋找可打印的生物墨水。

可以構(gòu)建 3D 結(jié)構(gòu)嗎？

并非所有印刷生物墨水都可以構(gòu)建 3D 結(jié)構(gòu)。為了打印高分辨率的3D復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞印刷油墨需要增加印刷油墨的粘度。它需要增加生物墨水的凝膠容量以保持堆疊結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

細(xì)胞能存活嗎？

增加細(xì)胞印刷油墨的粘度將導(dǎo)致印刷過程中單元的剪切力增加。并且會(huì)導(dǎo)致打印后細(xì)胞的存活率下降。因此，在印刷過程中控制細(xì)胞印刷油墨的粘度（不能太高也不能太低）。而找到適合細(xì)胞打印墨水的粘彈性區(qū)間是實(shí)現(xiàn)良好細(xì)胞3D打印的重要一步。如良好的成型性和生物性能。

功能齊全嗎？

新打印的3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)只是細(xì)胞和生物材料的3D組合，并不形成組織特征。因此，打印的3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件才能形成組織功能。這一環(huán)節(jié)需要保證生物材料的生物相容性、機(jī)械性能和功能性、充足的培養(yǎng)基供應(yīng)和充足的廢物排放。甚至某些組織也需要特定的生物反應(yīng)器來通過流體、力或電刺激來實(shí)現(xiàn)其功能。

綜上所述，細(xì)胞3D打印充滿了不同甚至矛盾的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要多學(xué)科的背景知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來解決這些問題。

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