3D細胞打印技術的應用

更新時間：2023-08-22 點擊次數：1324

過去15年左右，夢想推動了生物3D打印領域的投資和研究。生物3D打印技術是根據仿生形態、生物結構或生物功能、細胞的微環境等要求，采用“三維打印"技術制造生物單元（細胞/蛋白質/DNA等）和生物材料。 "技術手段制作個性化的體外三維結構模型或三維生物功能結構。

其科學研究、技術應用和產業發展廣泛涉及以下方面：生物3D打印設備和生物墨水的開發與制造、醫療器械制造、復雜組織工程支架制造、功能結構制造等。
生物3D打印作為一個新興的交叉前沿技術領域，目前受到許多國家戰略重視。

生物3D打印技術的應用

根據所用生物材料的不同特性，清華大學生物3D打印中心將其分為4個等級。

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、手術導板、3D打印體外假肢或骨科輔助器具等，這一層面的應用極大發揮了3D打印在個性化定制方面的優勢，幫助相關患者量身定制相關手術模型或治療工具，讓患者得到更好的治療。

印刷材料采用生物相容性但不可降解的材料。這種印刷產品可以用作體內的長期植入物。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（愛康醫療）已獲得多個CFDA上市許可，產品已應用于臨床。

打印具有良好生物相容性和可降解性的生物材料，主要應用領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，并能在一段時間內促進體內有缺陷的組織的生長和愈合。

清華大學生物制造中心的3D打印低溫沉積制造技術，融合了生物3D打印和冷凍干燥顯微造孔技術的優點。既可以實現宏觀可控孔隙（100微米），又可以實現微觀微絲孔隙。

3D打印組織工程支架提高了支架內的細胞種植率，更有利于支架內部細胞的生長和組織功能的實現。在骨組織工程支架領域得到良好應用，并開始轉化為臨床。

細胞3D打印技術可以直接以細胞、蛋白質等生物活性物質（蛋白質、DNA、生長因子）為基本單位。它直接構建體外生物結構、組織或器官模型。

細胞（生物）3D打印技術是目前前沿的技術，也是器官打印潛力最大的技術。在打印過程中，細胞不可避免地會承受一定的機械力，甚至造成一定的損傷。因此，細胞3D打印技術的實現充滿了各種技術挑戰。細胞3D打印的技術挑戰主要包括以下幾個方面：

首先，我們要選擇生物3D打印機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，細胞3D打印的首要挑戰是尋找可打印的生物墨水。

并非所有印刷生物墨水都可以構建 3D 結構。為了打印高分辨率的3D復雜細胞結構，細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構的機械性能。

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

新打印的3D細胞結構只是細胞和生物材料的3D組合，并不形成組織特征。因此，打印的3D細胞結構必須經過適當的培養條件才能形成組織功能。這一環節需要保證生物材料的生物相容性、機械性能和功能性、充足的培養基供應和充足的廢物排放。甚至某些組織也需要特定的生物反應器來通過流體、力或電刺激來實現其功能。

綜上所述，細胞3D打印充滿了不同甚至矛盾的技術挑戰，需要多學科的背景知識和經驗來解決這些問題。