近些年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展不光局限于航天航空、汽車等制造業(yè)。其在于人類生活息息相關(guān)的生物醫(yī)療科技領(lǐng)域也快速進步，與仿生技術(shù)、組織工程學(xué)、生命科技緊密結(jié)合，在醫(yī)療行業(yè)大放光彩！

     康奈爾大學(xué)機械工程與計算機科學(xué)技術(shù)教授胡迪·利普森提出了一個“3D打印生命階梯”的概念，生動地展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展藍圖。

     “3D打印生命階梯”的底層為無需留在體內(nèi)的醫(yī)療器械，包括醫(yī)療模型、診療器械、康復(fù)輔具、假肢等；中層是”簡單的活性組織如骨骼與軟骨”，即個性化永久植入物，使用鈦合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通過3D打印骨骼、軟骨、關(guān)節(jié)、牙齒等產(chǎn)品，通過手術(shù)植入人體；再往上是靜脈和皮膚；靠近階梯頂層的是復(fù)雜且關(guān)鍵的器官，如心臟、肝臟和大腦。最后，生命階梯的頂層將是完整的生命單位——也許有一天將會是具備完整功能的人造生命形式。

      2010年6月，由美國Organovo公司研制的、“按需打印”患者所需的人體活器官的機器，被稱為生物3D打印機（3D bio-printer；3D biology printer ）。該項技術(shù)被《時代周刊》評為2010年50項最佳發(fā)明之一。

  　3D生物打印模式圖

      根據(jù)“分層制造，逐層疊加”的原理，生物3D打印機根據(jù)計算輔助設(shè)計的三維模擬“藍圖”，以生物醫(yī)用高分子材料、無機材料、水凝膠材料和活細胞（及其相關(guān)細胞因子）作為“生物墨水”，在生物相容性的支架材料上逐層添加打印材料，直至打印完成。

       隨后，自然生成的細胞開始重新組織、融合，形成一個功能協(xié)調(diào)的有機整體。據(jù)最新研究報道，Organovo公司利用生物3D打印技術(shù)，成功打印出人體肝臟，并在離體培養(yǎng)條件下存活40天！

細胞3D打印過程

一定程度上，可以說生物3D打印技術(shù)真正的魅力，并不是技術(shù)本身，而在于技術(shù)所涉及的方方面面的生物打印材料。3D打印技術(shù)采用不同的“油墨”材料可以生產(chǎn)出各種人造器官和組織，能滿足臨床患者個體要求。金屬、樹脂、石膏、陶瓷、高分子、生物大分子等均被創(chuàng)造性地應(yīng)用于3D打印以生產(chǎn)生物制品。

下面，我們將就生物3D打印中幾種常用的材料進行具體介紹。

1.水凝膠

由于水凝膠與天然軟組織細胞外基質(zhì)在結(jié)構(gòu)、組成和力學(xué)性質(zhì)上的相似性，目前的細胞和組織打印技術(shù)主要是基于攜帶細胞的水凝膠的3D 沉積技術(shù)。

水凝膠是一種具有高水含量的親水性或雙親性聚合物三維網(wǎng)絡(luò)。由于水凝膠具有良好的生物相容性，以及與人體軟組織相似的力學(xué)性質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程支架材料與藥物的可控釋放中。

目前，傳統(tǒng)的水凝膠制備方法主要是通過高分子鏈間的化學(xué)反應(yīng)或物理相互作用，難以實現(xiàn)對水凝膠外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。而3D打印技術(shù)則能實現(xiàn)對材料外部形態(tài)和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，有利于調(diào)控細胞的分布，以及材料與生物體的匹配，因此具有獨特的優(yōu)勢。

康奈爾大學(xué)的Butcher以PEG-DA / 藻酸鹽復(fù)合原料制備了主動脈瓣水凝膠支架， 該水凝膠的彈性模量可變。制備較大的瓣膜可獲得更高的精確度。種植于水凝膠支架上的豬主動脈瓣間質(zhì)細胞在培養(yǎng)21 天后具有接近100%的存活率。

3D打印的DNA水凝膠材料

對于3D打印成型的攜帶細胞水凝膠支架的基本要求包括：

( 1 ) 水凝膠在工作臺沉積后能快速原位成型，并維持初始沉積的形狀；

( 2）保持細胞活性和功能；

( 3 ) 打印成型的支架容易進行后處理。

隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)用材料的興起，科研工作者對水凝膠的研究也取得了諸多進展。如Gauvin以甲基丙烯酸酯修飾的明膠為原料，制備了可作為個性化組織工程支架材料使用的水凝膠，并進行了體外細胞培養(yǎng)實驗研究。

(責任編輯：admin)

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