3D打印技术在生物工程领域的5种应用
医疗行业应用3D打印技术的历史始于上世纪80年代的医疗模型制造，随着3D打印技术和医用3D打印材料技术的发展，现阶段3D打印技术已被应用义齿加工和骨科植入物的直接制造领域。下一阶段，3D打印技术的应用是与生命科学、生物工程技术相结合，制造具有生物活性的组织和器官。
为器官再生打下基础
器官生物芯片定制
器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微观的人体组织，它们的作用是模仿人体组织的功能。器官生物芯片在进行生物学研究和药物筛选实验时往往比二维的细胞培养方式更加有效。
图片来源：Trends in Biotechnology
美国康涅狄格大学等机构的科学家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通过3D打印技术进行器官生物芯片的一步制造）一文中描述到，传统的微流控芯片制造技术是劳动密集型的产业，不利于实验室进行芯片设计的快速迭代和快速制造。将3D打印技术用于制造微流控生物芯片则可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造，有利于设计的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨学科性，并加速创新。
未来，先进的生物3D打印机不仅可以打印微流控平台，还可以同时在微流控平台中直接打印出定制化的微观人体组织。
皮肤制造
生物3D打印的皮肤有望用于治疗烧伤或者是有慢性创口的患者。 新加坡南洋理工大学以及新加坡科技研究局的科研人员在Skin Bioprinting: Impending Reality or Fantasy? 一文中写到，一项研究发现，通过水凝胶和细胞3D打印的人工皮肤，在经过10天的培养之后已产生细胞间的连接以及正常的细胞生物标记。在另一项研究中，研究人员已能够在一层皮肤细胞中培养出血管。生物3D打印技术已可以制造出具有完整功能的人造皮肤，该技术在一些关键的皮肤组织工程学方面的潜力已体现出来，包括构建色素和皮肤老化模型、制造血管网络和毛囊。
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阿姆斯特丹自由大学医学中心等专家在 Advances in Bioprinting Technologies for Craniofacial Reconstruction 一文中写到，尽管生物打印皮肤技术的临床应用仍处在非常早期的阶段，但一些有价值的临床前动物实验正在进行。例如，维克森林大学通过inkjet 喷墨生物3D打印技术制造皮肤，在使用该皮肤对小鼠缺损的皮肤进行原位修复时取得了良好的细胞存活和皮肤修复结果。
面部重建
人体的颅面部区域由几种复杂的组织构成，包括：骨、软骨、肌肉、韧带和皮肤，以及血管和神经等。如果组织出现创伤或者具有先天性缺陷则会影响到人的容貌。在过去的几十年中，这种颅面部缺损的重建技术一直在发展，例如，从截取人体其他部位的骨骼进行下颌骨修复，发展到使用3D打印的钛合金定制化植入物进行下颌骨重建。尽管使用现有的技术已实现了面部重建的治疗目的，但由于植入物的使用寿命以及可能发生的感染等因素，颅面部修复技术并没有停止发展的脚步，而生物3D打印技术和组织工程学正是发展方向之一。
阿姆斯特丹自由大学医学中心等专家在 Advances in Bioprinting Technologies for Craniofacial Reconstruction 一文中指出，通过微挤压成形3D打印技术可以根据患者面部缺损的解剖结构打印出定制化的支架，例如眼眶骨缺损修复支架。在支架植入面部之前，人体细胞被 “种”到支架上，在生长因子或机械刺激下形成细胞外基质。细胞外基质为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号转导系统影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。微挤压成形3D打印技术将与干细胞技术相结合制造出可植入人体的组织工程支架,从而进行颅面部缺损组织的再生修复，包括修复对面部形状起到支撑作用的骨和软骨。
插入式血管
麻省理工学院及哈佛大学的生物专家综述文章Vascularization and Angiogenesis in Tissue Engineering: Beyond Creating Static Networks 中描述到，在人造组织内生成血管对于移植后确保组织存活及维持器官功能是必要的。然而，制造带血管网络的组织和器官，并在植入后可直接与人体动脉或静脉相连接是一大挑战。
2016年哈佛大学在此领域获得突破，可以打印出带血管的组织，该组织可维持生物学功能，并可以存活超过六个星期。哈佛大学的研究人员在整个打印过程中使用了三种生物墨水。其中第一种墨水含有细胞外基质，这是一种由水、蛋白质和碳水化合物构成的复杂混合物，用于连接每个细胞，从而形成一个组织。第二种墨水包含细胞外基质和干细胞。第三种用于打印血管，这种墨水在冷却过程中融化，所以研究人员可以从冷却的物质中将墨水抽出来，并保留空心管 。
研究人员将包含细胞外基质的墨水填充进模具。最终培养出内部充满毛细血管的人工组织。研究人员通过硅胶模具两端的出入口向该组织输入营养物质，以保证细胞存活。人工血管将通过将细胞生长因子运送至整个人工组织，促进干细胞的定向分化，从而形成更厚的组织。
在制药中的应用
药物筛选
我们在前面提到了生物3D打印技术将可以用于器官生物芯片的定制化制造。定制化器官芯片的其中一个重要作用就是用于药物筛选。
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新药的研发成功率是非常低的，据FDA 统计94%的新药研发会在进入到临床实验阶段时失败。出现在这种结果的部分原因是临床前的实验筛选不充分，相比二维的人工培养组织，三维组织可以更有效的模拟人体组织结构、功能和人体组织对药物的反应。通过三维组织进行药物筛选，能够得到更准确的结果。生物3D打印技术在制造复杂3D人体组织结构方面具有潜力。微流控系统可以为3D 组织提供营养、氧气和生长因子。Bhise等人研发的肝脏芯片，是通过在微流控芯片上进行生物打印制造的，这个肝脏组织模型可用于药物筛选。
(责任编辑：admin)
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