3D打印在组织工程中的应用
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摘 要 3d打印是指在计算机控制下，根据物体的计算机断层扫描（ CT） 或 计算机辅助设计（ CAD） 模型等数据，通过材料的精确3D 堆积，快速制造任意复杂形状3D 物体的新型数字化成型技术。这些打印机的用途包括打印模型、零件和玩具。3D打印机也被开发用于医疗应用，虽然医疗打印滞后于3D打印的其他用途，但它有潜力在未来十年从根本上改变医学的实践。
中图分类号：R319 文献标识码：A
近些年来，3D打印在各个领域兴起。包括打印骨、皮肤，甚至是完整的器官。根据工作原理可将3D打印机分为三类：激光辅助生物打印、微挤压成型生物打印和喷墨生物打印。这三种打印方法在组织工程的运用中各有优缺点。
1激光辅助生物打印
激光辅助生物打印是基于激光诱导正向转移原理。初步开发用于转移金属，现已成功应用于生物材料，如肽，DNA和细胞。典型的激光辅助生物打印装置由脉冲激光束，聚焦系统，接受基底等部件组成。因为激光辅助生物打印是无喷嘴的，所以避免了细胞或材料堵塞的问题。激光辅助生物打印拥有粘度兼容性好、打印速度快、细胞沉积密度高等有点。但激光辅助生物打印不适用与同时打印多种材料，而且由于在印刷期间金属激光吸收层的蒸发，金属残留物存在于打印的结构中，容易造成对最终打印结构的污染。体内激光辅助生物打印已经用于在小鼠颅盖3D缺陷模型中沉积纳米羟基磷灰石。未来的研究可能使用生物相容性良好的材料，以便可直接植入患者体内。例如定制的非细胞生物可吸收气管夹板，其被植入到患有局部气管支气管软化患者中。此外，加入患者自身的细胞可以提高这些类型的构建体在组织的结构和功能组分上的适用性。
2微挤压成型生物打印
微挤出生物打印机通常包括温控材料处理系统、分配系统和载物台，用于xyz命令和控制的摄像机，以及压电加湿器。一些系统使用多个打印头来促进几种材料的串行分配，而无需重新装配。在组织工程器官中实现生理细胞密度是生物打印领域的主要目标。一些研究机构已经使用仅由细胞组成的溶液以利用微挤出打印来创建3D组织构建体。微挤压成型生物打印的优点是能同时打印多种材料、对细胞伤害低、对低粘度兼容性等优点。尽管可以使用低压和大喷嘴尺寸来维持细胞活力，但缺点是分辨率和打印速度的下降。对于微挤出生物打印，研究人员经常利用热交联或酶交联处理材料。几种生物相容性材料可在室温下流动，使得其可以和其他生物成分一起挤出，但在体温下交联成稳定的材料。一些研究机构已经使用仅由细胞组成的溶液以利用微挤出打印来创建3D组织构建体。目前微挤出生物打印机已经用于制造多种组织类型，包括主动脉瓣膜，外周血管以及肿瘤模型。
3喷墨生物打印
喷墨生物打印是市售的基于2D油墨的打印机的改进版本，是常用的，打印成本较低的一种技术。目前主要有加热打印头和声学打印头两种。热喷墨打印机通过电加热打印头产生压力脉冲，从而迫使墨滴从喷嘴喷出。已有研究证明局部加热（200℃至300℃的范围内）对生物分子的稳定性、生物材料的机械性能和哺乳动物细胞功能没有实质性影响。热喷墨打印机的优点包括高打印速度、低成本和广泛的可用性。然而，将细胞和材料暴露于热和机械应力、较差的液滴方向可控性，液滴尺寸不均匀行、喷嘴频繁堵塞和不可靠的细胞封装的风险限制了喷墨生物打印在组织工程中的运用。声学喷墨打印机包含压电晶体，其在打印头内部产生声波，将液体以规则的间隔破碎成液滴。可以通过调节超声参数，例如脉冲、持续时间和振幅，以控制液滴的尺寸和喷射速率。声学喷墨打印机的优点包括产生和控制均匀的液滴尺寸和喷射方向性以及避免细胞暴露于热和压力等环境。喷墨生物打印方法的实例包括原位再生功能性皮w物相容性化学反应或光引发剂实现含细胞材料的快速交联。喷墨生物打印方法促进原代细胞或干细胞在病灶中均匀的沉积，并且在印刷后维持高细胞活力和功能。这些研究表明喷墨生物打印方法打印再生功能结构的潜力。
4 3D打印的前景
3D打印从出现到兴起再到大规模的运用仅仅用了十来年的时间，足以见得3D打印的巨大潜力。未来，通过3D打印实现精准的、个性化的移植器官定制将不是梦想。
作者简介：王文斌，出生于1990.11，男，福建福鼎人，2014年就读于中国海洋大学海洋生命学院细胞生物学专业。
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