生物3D打印-從形似到神似

作者： 賀永，文/EngineeringForLife

應(yīng)浙大學(xué)報(bào)邀請(qǐng)，對(duì)生物3D打印做了一個(gè)綜述性的回顧，給出了一些關(guān)于生物3D打印個(gè)人的觀點(diǎn)，以期能拋磚迎玉。有興趣看全文可直接下載（論文題目：生物3D打印-從形似到神似）。 11 生物3D打印_從形似到神似_賀永.pdf (1.77 MB, 下載次數(shù): 169)

2018-12-3 18:08 上傳

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另外，我也寫了一本生物3D打印的書（生物3D打印：從醫(yī)療輔具制造到細(xì)胞打印，華中科技大學(xué)出版社，預(yù)計(jì)12月份出版），有興趣的到時(shí)可看看哈。關(guān)于生物3D打印的一些概括性問題總結(jié)回答如下：

一、生物3D打印到底研究啥？
從廣義上說服務(wù)于生物醫(yī)療領(lǐng)域的3D打印（增材制造）就是生物3D打印。嚴(yán)格一些，狹義上說生物3D打印特指操縱活細(xì)胞打印活性三維結(jié)構(gòu)的過程，也就是所謂的載細(xì)胞打印，也可稱為細(xì)胞打印。注意這里的細(xì)胞打印不是打印出新的細(xì)胞，而是指將細(xì)胞作為打印原料。

由于單純的細(xì)胞無法打印構(gòu)成結(jié)構(gòu)，我們將細(xì)胞與水凝膠混合構(gòu)成所謂的生物墨水，用生物墨水打印活性結(jié)構(gòu)。這里水凝膠的作用有兩個(gè)：作為打印時(shí)的黏合劑實(shí)現(xiàn)3D成形，打印后固定細(xì)胞位置并為細(xì)胞提供類體內(nèi)的3D環(huán)境也就是起細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）作用。

生物3D打印研究?jī)?nèi)容包括：

（1）研究成形過程：不同組織內(nèi)有不同的細(xì)胞種類，同時(shí)細(xì)胞在空間上也存在不同密度的分布，而生物墨水是一種典型的軟材料，感覺上接近可以吸的液態(tài)果凍，因而設(shè)計(jì)合適的打印方法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在三維空間上的精準(zhǔn)排布還是很有挑戰(zhàn)性的；

（2）研究活性結(jié)構(gòu)到功能性組織/器官的實(shí)現(xiàn)過程：剛打印出來的活性結(jié)構(gòu)類似于鑲嵌的一顆顆水果丁的果凍，細(xì)胞就好比那水果丁，而水凝膠就是那包裹水果丁的果凍了。而我們真正的組織內(nèi)部細(xì)胞是彼此連接，能互相溝通及協(xié)作的，故而打印出結(jié)構(gòu)后，還需要經(jīng)歷一個(gè)二次發(fā)育的過程，通過這個(gè)過程細(xì)胞建立起聯(lián)系，慢慢擁有體內(nèi)組織的部分乃至全部的功能。

這兩個(gè)內(nèi)容都是非常復(fù)雜，很多工作才剛剛展開，如果說第一個(gè)成形的工作已經(jīng)取得了些進(jìn)展的話，那么第二個(gè)功能化的工作才剛剛開始，任重道遠(yuǎn)，萬里長(zhǎng)征，我們才剛剛開始走。

二、生物3D打印可實(shí)現(xiàn)器官打印并用于器官替換了？

我每次做報(bào)告以及和其他研究方向的學(xué)者交流時(shí)，都會(huì)被問到這個(gè)問題，也常會(huì)看到一些報(bào)道，大概意思就是生物3D打印已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)肝、腎等器官體外制造，馬上器官短缺的問題就可以解決了。

我個(gè)人觀點(diǎn)：雖然目前也有一些相關(guān)嘗試，但總體而言還有生物3D打印實(shí)現(xiàn)器官替換還有很長(zhǎng)的路要走。從結(jié)構(gòu)及形態(tài)上說人體器官遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜的多，此外器官的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制等機(jī)理上還有很多問題有待揭開。目前報(bào)道的所謂肝打印、腎打印等研究其實(shí)更多的是實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)了器官眾多功能中的一到兩個(gè)而已。

三、生物3D打印是噱頭，只是玩概念？

和前一個(gè)觀點(diǎn)正好相反，有些學(xué)者就直言不諱的和我說，生物3D打印就是炒個(gè)概念，又不能實(shí)現(xiàn)器官的替換，有啥用。

個(gè)人觀點(diǎn)：目前生物3D打印研究重點(diǎn)：其一為各種疾病的精準(zhǔn)治療研究提供新的研究手段、其二為各種機(jī)制研究提供更接近于人體的環(huán)境。前生物3D打印研究重點(diǎn)是為各種疾病的精準(zhǔn)治療研究提供新的研究手段。目前疾病的機(jī)理探討主要依賴二維的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，二維的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)與人體環(huán)境相距甚遠(yuǎn)，而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)除了成本高、周期長(zhǎng)、重復(fù)性不夠理想外，動(dòng)物的體內(nèi)環(huán)境與人體也有較大的差異。由于3D生物打印可以精確的堆疊各種細(xì)胞及支架材料，形成接近實(shí)際器官組織的結(jié)構(gòu)（術(shù)語成為類器官或迷你組織），同時(shí)其細(xì)胞也可采用人類的細(xì)胞，恰好可以彌補(bǔ)目前常用的兩大實(shí)驗(yàn)方式的缺點(diǎn)。目前生物3D打印在腫瘤模型、藥物代謝所帶來的肝臟毒性評(píng)估、腸道微環(huán)境的構(gòu)造、心血管疾病病例探討等領(lǐng)域都有不少報(bào)道，生物3D打印技術(shù)在疾病的精準(zhǔn)治療中將會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用，也是目前就可以很快開展的工作。

總的來說器官打印及替換是生物3D打印研究的長(zhǎng)期目標(biāo)，需要我們腳踏實(shí)地的一步步逼近，目前而言基于生物3D打印為細(xì)胞構(gòu)建更精準(zhǔn)的三維環(huán)境，制造類器官技術(shù)可行，目前也亟需，這個(gè)工作除了可供藥物評(píng)價(jià)等外，類器官還可用于器官病變、缺損的治療。

我的觀點(diǎn)是：生物3D打印將會(huì)逐步變成組織工程或生物材料研究的一個(gè)基本手段，畢竟目前常規(guī)細(xì)胞二維培養(yǎng)體系（基于培養(yǎng)皿）和體內(nèi)的三維環(huán)境有不小的差別。

四、生物3D打印門檻很高，很難掌握？
生物3D打印聽起來很神秘，是機(jī)械、生物、醫(yī)學(xué)及材料的多學(xué)科交叉，從事這個(gè)研究會(huì)不會(huì)很難。

個(gè)人觀點(diǎn)：這個(gè)方向的研究的確有一定的門檻，總體而言這個(gè)研究需要醫(yī)學(xué)及機(jī)械學(xué)科密切合作才能有較好的進(jìn)展，這個(gè)研究在機(jī)械學(xué)科屬于生物制造的研究范疇，在醫(yī)學(xué)學(xué)科屬于組織工程分支，在材料學(xué)科屬于生物材料分支。相對(duì)來說機(jī)械學(xué)科入門更難一點(diǎn)，因?yàn)榛�本的�?xì)胞相關(guān)概念及實(shí)驗(yàn)條件都需要從零開始建起來。

我當(dāng)年的知識(shí)儲(chǔ)備就是高中學(xué)過的生物課程，不夸張的說連細(xì)胞是啥樣子都不明白，至于細(xì)胞培養(yǎng)及后續(xù)的功能評(píng)價(jià)等更是兩眼一抹黑，我們花了兩年時(shí)間補(bǔ)充最基礎(chǔ)的入門知識(shí)，組織工程人很司空見慣的事情我們都要摸索很久，還好挺過來了。

當(dāng)然對(duì)做組織工程或生物材料的課題組來說，采購(gòu)生物3D打印機(jī)，并掌握一些工程化的方法，就可快速入門。生物3D打印機(jī)有很貴的，多功能復(fù)合的，也有便宜的、走專用及定制化思路的。從發(fā)揮設(shè)備效率、易用性角度而言，我建議組織工程或生物材料背景的課題組采購(gòu)專用及定制化思路的生物3D打印機(jī)。

國(guó)內(nèi)研究還有一個(gè)誤區(qū)就是，以為購(gòu)買了昂貴的設(shè)備就萬事大吉，事實(shí)上我見過很多課題組購(gòu)置了一百多萬的生物3D打印機(jī)，使用效率卻很低。究其根本原因是設(shè)備的功能不能充分利用，此外更缺乏一個(gè)懂生物3D打印工藝的團(tuán)隊(duì)輔助指導(dǎo)。哈哈順便做個(gè)廣告，我們課題組在蘇州智能制造研究院產(chǎn)業(yè)化的小型、專用、便攜式的生物3D打印機(jī)就是為組織工程或生物材料背景課題組所設(shè)計(jì)的，我們不光能提供生物3D打印機(jī)，更重要的是可提供從生物墨水到具體應(yīng)用全流程的指導(dǎo)。

五、建一個(gè)生物3D打印實(shí)驗(yàn)室價(jià)格很昂貴？
基礎(chǔ)的生物3D打印實(shí)驗(yàn)室并不是很貴，一個(gè)完整的生物3D打印實(shí)驗(yàn)室，需要細(xì)胞培養(yǎng)室及細(xì)胞培養(yǎng)箱、細(xì)胞凍存設(shè)備、顯微鏡等檢測(cè)設(shè)備、生物3D打印機(jī)、生物墨水配置工具等。一個(gè)基本的生物3D打印實(shí)驗(yàn)室大概60-80萬就可以搞定。如果是組織工程或生物材料背景的課題組，估計(jì)就添置幾臺(tái)生物3D打印機(jī)就差不多了，30到40萬元就可添置兩到三臺(tái)生物3D打印機(jī)。

來源： EngineeringForLife