3D生物打印-定义，原理，过程，类型，应用

表的内容

什么是3D生物打印?

3D生物打印是一种利用活细胞、生物分子和生物材料打印生物医学结构的方法。

简单地说，3D生物打印就是用一层一层的方式沉积生物材料，从而创造出像组织和器官这样的3D结构。
生物打印被认为是增材制造的一部分，它涉及到工业应用中必要的材料的形成。
3D生物打印从合适的微结构开始，通过细胞和组织支架进一步稳定，同时考虑制造对细胞活力的影响。
发展3D生物打印的最重要的动机是有限的生物结构，这是所需的器官和组织的恢复。
这一过程的最终目的是在疾病研究和治疗开发过程中提供一种适当的替代组织植入和动物试验程序。
目前，3D生物打印技术的应用仅限于器官和组织的形成来评估药物的效率，但3D生物打印技术在替换患者丢失和衰竭的器官方面有很大的应用空间。
3D生物打印比3D打印更棘手，因为细胞更敏感，需要特别注意允许细胞生长和分裂，并防止过程中使用的溶剂的细胞毒性活性。
3D生物打印技术的研究主要集中在开发制造具有生物和机械重要性的3D功能生命结构的方法，以恢复组织和器官的功能。

Bioinks是什么?

生物墨是一种生物材料，通过3D生物打印技术用于制造工程活组织。

“生物墨水”一词不仅指用于制造的细胞，还指为细胞生长提供支持的载体分子。
在生物打印过程中，与细胞一起使用的常见载体材料是生物聚合物凝胶，作为3D分子支架，使细胞能够附着、生长和增加。
生物墨水中使用的生物聚合物是必不可少的，因为它们能保持水分，从而为工程组织提供机械稳定性。
对于特定工艺的生物油墨的选择是一个重要的步骤，因为所选择的生物油墨应该具有理想的物理化学特性，包括机械、化学、生物和流变特性。

图:生物墨水(左边)和生物材料墨水(右边)的区别。在生物墨水中，细胞是印刷配方的必要组成部分，其形式为单细胞、包膜细胞或细胞聚集体(一种或几种细胞类型)，或与材料结合(例如植入微载体、嵌入微凝胶、在物理水凝胶中配制或用水凝胶前体配制)。在生物材料墨水的情况下，原则上任何生物材料都可以用于打印和细胞播种后制造。图片来源:https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.06.040．

生物打印过程中使用的生物油墨应具有以下特性:

所使用的生物墨水应能够提供足够的机械强度和坚固性，同时在产生的组织结构中保持组织匹配机制。
生物油墨分子应具有可调的凝胶性和稳定性，以在生物打印过程中获得高的形状保真度。
生物油墨应具有生物相容性，并能根据组织的自然微环境进行生物降解。
生物墨水应该适合于化学修饰形成特定的组织。

3D生物打印的基本原理

3D打印的原理是将生物成分、生物化学物质和活细胞以一种一层一层的方式精确地放置在制作好的3D结构上，并对功能成分的放置进行空间控制。3D生物打印的过程是基于三种不同的方法;仿生学，自主自组装，微型组织构建模块。

图:3D生物打印工艺示意图及打印装置和打印结构的光学图像。图片来源:施普林格自然．

1.生物仿生

仿生学是在对自然本身进行详细检查后，对组织和器官的细胞和细胞外成分进行相同复制的制造。
为了实现仿生，需要精确复制组织的特定细胞功能成分。
由于在此过程中使用的材料对细胞附着、细胞大小和形态有显著影响，因此在支架中存在对细胞增殖和分化的控制。
需要对微环境有详细的了解，包括细胞类型的排列、细胞外基质的组成、可溶性和不可溶性因素的梯度以及生物力的性质。

2.自治自组装

自主自组装是以胚胎组织和器官发育为指导的复制生物组织的方法。
发育组织的细胞成分产生自己的细胞外基质和细胞信号，允许自主组织和模式形成所需的微结构。
在这个过程中，一个无支架的版本是利用自我组装的细胞球体，经过分化和组织形成所需的组织。
这种方法依赖于细胞作为组织形成的主要驱动力，它指导最终组织的定位、功能和结构。
这种方法的使用需要胚胎组织和器官发生发育机制的详细知识。

3.微型组织构建块

微型组织构建模块方法利用了前两种策略的方法。
在这种生物打印方法中，组织和器官的小功能单元被称为微型组织，被形成。
微小组织代表器官的最小结构和功能单位，如肾神经元。
这些微型组织可以通过自主自组装或仿生学来制造。
生物打印首先是基于生物启发的组织将微型组织组装成宏观组织，然后是可以自我组装形成功能结构的组织单位的复制。

3D生物打印基本步骤(工艺)

3D生物打印的整个过程可以通过三个不同的步骤来实现;前生物打印，生物打印和生物打印后。

1.Prebioprinting

预生物打印的第一步是形成打印机使用的模型，并在此过程中选择要使用的材料。
它从组织活检的提取开始，该组织提供了一个生物模型，该模型将通过3D生物打印方法重新创建。
计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)扫描等技术被用于这一步。
对通过这些方法得到的图像进行层析重建，得到二维图像。
这个过程所需要的细胞然后被选择和繁殖。这样形成的细胞团与氧气和其他营养物质混合，以保持它们的活力。

图片来源:https://doi.org/10.1016/j.jormas.2018.12.014．

2.生物打印

第二步是实际打印过程，将生物墨水放入打印机中形成3D结构。
细胞、营养物质和基质的混合物共同形成生物墨水，然后放在打印机墨盒上，然后根据准备好的数字模型沉积材料。
生物结构的形成涉及生物墨水在支架上逐层沉积的方法，以生成三维组织结构。
生物打印过程的这一步是一个复杂的过程，因为它需要根据要形成的组织和器官的类型形成不同的细胞类型。

3.Postbioprinting

生物打印后是生物打印过程的最后一步，这对提供打印结构的稳定性很重要。
为了维持生物物质的结构和功能，需要物理和化学刺激。
这些刺激向细胞提供信号，以重组和维持组织的生长。
如果没有这一步，材料的机械结构可能会被破坏，进而影响材料的功能。

3D生物打印技术(类型)

1.挤压的基础生物打印

基于挤压的生物打印或微挤压是最常见的打印非生物3D结构的方法。
这种生物打印技术被用于各种学术机构的组织和器官研究。
工艺的灵活性和材料的可用性使得基于挤压的3D生物打印成为生产药物剂型最常用的技术。
这种方法中使用的打印机有一个温度控制的材料处理和点胶系统，这两个系统都能够沿着x, y和z轴移动。
此外，该系统还包括一个光纤光源，用于照亮沉积区域以进行光引发剂激活(如果需要)。
一些微挤压生物打印机利用多个打印头，允许串行分配几个材料一次。

挤出型生物打印原理

基于挤压的3D生物打印利用上述两种机制中的一种来产生所需的结果;基于半固态挤压(SSE)和熔融沉积建模(FDM)的3D打印。
在基于SSE的3D生物打印中，加压空气或旋转螺杆齿轮通过喷嘴挤压连续的半固体材料流，喷嘴以一层一层的方式沉积形成3D结构。
然而，FDM 3D生物打印利用高温熔化热塑性纤维，然后通过喷嘴挤压，以一层一层的方式沉积，从而产生3D结构。
所有基于挤压的3D打印机的两个主要组成部分包括挤压系统和定位系统;因此，这两个系统都应该足够精确，以产生一个视觉上和几何上精确的结构。

基于挤压的生物打印实例

基于挤压的3D生物打印方法已经广泛应用于从制药到研究等各个生物医学领域。
该技术通常用于单个组织应用，以及制造模拟组织界面的支架。
该技术能够生产出模拟软组织和骨骼结构的模型，这为可能的植入物提供了机会。

图片来源:https://doi.org/10.20900/rmf20190004．

2.Inkjet-based生物打印

喷墨生物打印或按需滴式生物打印是最常用的技术为非生物和生物应用。
这项技术最初只用于基于墨水的2D打印，但后来经过改进，用生物材料取代了墨盒中的墨水，纸张也被电子控制的升降台取代，以提供控制。
目前，喷墨生物打印可以在专门设计的生物打印机上进行，以高精度、高速度和高分辨率处理和打印生物材料。
喷墨生物打印的局限性之一是生物材料必须以液体形式形成液滴。

喷墨生物打印原理

喷墨生物打印是基于喷射液滴到基板上的热或声力。
热喷墨生物打印可以通过电加热打印头产生压力，导致液滴从喷嘴释放来实现。
在声学喷墨生物打印的案例中，使用压电晶体在打印头内部产生声波，使液体破碎成液滴。
当对压电物质施加电压时，会引起形状的快速变化。这反过来又产生了迫使液滴流出喷嘴所需的压力。
这两种方法各有优缺点;因此，喷墨生物打印技术的选择应根据所要达到的目的而定。

喷墨生物打印的例子

一些常见的应用喷墨生物打印是再生功能的皮肤和软骨组织，该技术的高打印速度使细胞和生物材料直接沉积到皮肤和软骨病变。
此外，喷墨生物打印还可以使密度均匀的原代或干细胞沉积在病变上，同时保持细胞的活力和功能。
层状软骨结构也已开发使用组合喷墨生物打印和静电纺丝技术。

3.Pressure-assisted生物打印(帕布)

压力辅助生物打印是通过将生物材料从打印机的喷嘴挤出来制造3D生物结构。
该方法常用的生物材料包括水凝胶、细胞和蛋白质、陶瓷材料溶液、胶原蛋白和壳聚糖等。
打印机的速度仍然很低，但能提供大约40-80%的细胞活力。
使用压力辅助生物打印允许室温处理和直接将均匀细胞掺入基底上。

压力辅助生物打印(PAB)原理

压力是通过气动压力或柱塞的协调运动产生的，也可以通过连续丝状的螺纹压力产生。
材料的沉积以一层一层的方式发生在固定基板上，以获得完整的三维结构。

压力辅助生物打印(PAB)的例子

基于压力的生物打印技术已被用于打印具有功能活性的细胞和器官。
该技术已被用于产生人类间充质细胞、内皮细胞和成骨祖细胞。
此外，该方法还可用于获得保留各种哺乳动物体内异质细胞组织的多细胞生物打印结构。
通过压力生物打印获得的间充质细胞结构可以分化成其他在体内保持活性的细胞。

4.激光辅助生物打印(实验室)

激光辅助生物打印是一种利用激光作为能源将生物材料沉积在表面上的方法。
传统上，这种技术仅限于转移金属，但后来被改进用于细胞、DNA和多肽等生物材料。
一种激光辅助生物打印机包括脉冲激光束、聚焦系统、带有供体传输支撑的带、在液体溶液中制备的一层生物材料，该生物材料的接收基板正对着投影仪。
用于激光辅助生物打印的生物材料包括水凝胶、培养基、细胞、蛋白质和陶瓷材料。
生物打印机的速度适中，这种方法保留了95%的细胞活力。

激光辅助生物打印原理(LAB)

激光辅助生物打印的原理是利用激光诱导生物材料向前转移到固体表面上。
打印机上的激光照射色带，导致液体生物材料蒸发并以液滴形式到达接收基板。
所述接收底物由生物聚合物或细胞培养基组成，该细胞培养基有助于生物材料的细胞粘附和持续生长。

激光辅助生物打印(LAB)的例子

激光辅助生物打印已被用于生产分层组织结构中具有相关细胞密度的细胞化皮肤结构。
人类皮肤成纤维细胞、肺动脉内皮细胞和乳腺癌细胞可以通过激光辅助生物打印产生。

5.有限元(STL)

立体光刻是一种自由、无喷嘴的技术，用于生产生物和非生物材料的三维结构。
立体光刻技术具有最高的制作精度，并且可以在此过程中使用大量的材料。
该技术利用光敏水凝胶，以一层一层的方式沉积形成一个三维结构。
该方法速度非常快(约40000 mm/s)，细胞存活率达90%以上。

立体光刻原理(STL)

立体光刻技术是基于液体光敏聚合物在光照下的固化。
该技术利用数字微镜阵列控制光强来聚合光敏高分子材料。
生物聚合物的光化学固化导致层的形成，一起形成一个三维对象。

例子有限元(STL)

这项技术已被用于生产不同动物的组织和器官，包括人类。
此外，该技术在DNA材料上进行了测试，但使用紫外光有可能影响DNA结构。然而，定制的光源可以用于DNA分子。

生物是什么?

生物打印机或3D生物打印机是基于使用生物材料通过各种扫描创建的数字模型，用于添加制造3D功能组织和器官的自动化设备。

生物打印机是基于不同机制工作的自动化机器人设备。
只能打印无细胞支架但不能释放活细胞的3D打印机不被认为是生物打印机。
德国弗莱堡大学拉尔夫·马尔霍普特教授的团队研制出了第一台商用3D生物打印机。
3D生物打印机的进化是一个持续的过程，涉及到杂交的新技术方法，以创造新的先进形式的生物打印机。
根据所采用的生物打印技术，生物打印机有不同的类型;喷墨生物打印机、基于挤压的生物打印机和基于激光的生物打印机。
这些生物打印机工作在不同的机制，通常用于不同的目的，取决于使用的生物材料的类型。

生物组件

打印机的大小取决于所需的生物打印组织或器官结构的功能规格。
喷嘴或开口的数量也取决于设备的功能规格。
其他特定的组件，如激光源和温度控制，在不同类型的生物打印机中是不同的。
不同类型的生物打印机有不同的组成部分，但这些生物打印机有一些共同的特点，主要有五个结构-功能组件;机器人定位在X-Y-Z轴，喷嘴或分散或挤压机，操作或控制系统，和接收器基板。

图片来源:Cellink．

从解剖学上讲，以下是生物打印机的不同部分;

山一头。

打印机的头部附着在沿水平轴运行的金属板上。x轴上的电机将金属板左右移动，以水平方向沉积生物材料。

b。电梯

电梯是机器后面垂直运行的金属轨道。它由z轴马达驱动，带动打印机头部上下移动。

c。平台

平台是位于机器底部的架子，在制造过程中为器官提供休息的空间。
这个平台可以是一个支架，也可以是一个培养皿。第三个马达也在打印机中，它使平台沿y轴移动。

d。水库

在打印头上存在蓄水池，该蓄水池容纳在打印过程中沉积的生物材料。

e。喷嘴

打印头中的蓄水池中的生物材料通过平台上方的一个小喷嘴或注射器强制排出。

生物打印机是如何工作的?

生物打印的过程始于对所需器官的CT或MRI扫描。由此获得的图像被载入计算机，计算机使用软件程序建立相应的器官3D蓝图。
3D数据的信息与基于显微分析的组织学信息相结合，生成器官的一层一层模型。
然后把信息输入打印机。此外，有关选择材料的其他信息也输入到打印机中。
然后，打印机读取蓝图，并将生物材料一层一层地沉积到接收器上。
它是通过打印头在各个方向的运动来产生所需的深度和厚度。
一旦涂层到达平台，它就会通过冷却或化学反应固化。对于凝固层，沉积一新的层以形成稳定的结构。
这样形成的器官从打印机中取出并放置在培养箱中以使结构稳定和稳定。

3D生物打印机的例子

3D生物打印机是由Cellink等不同公司开发的，可以制造软骨、皮肤、骨骼和肌肉。
生物打印机，如喷墨打印机、激光打印机等，根据使用的生物打印机制的不同，被用于不同的目的。

3D生物打印的应用

1.组织工程

组织工程是3D生物打印最突出的应用之一。它使复杂的组织和器官的制造成为可能，可以取代失效或丢失的组织。
由于动脉和静脉的血管网络的整合和各种类型的细胞的融合以重塑复杂的器官生物学不容易实现，因此在临床相关维度上生产功能性组织和器官是具有挑战性的。
尽管如此，各种各样的组织已经成功地进行了生物打印，同时保持了机械完整性和功能。

生物打印用于各种目的的组织的一些常见例子:

一个皮肤。

皮肤组织的制造是通过许多组织工程方法来实现的。
组织工程可以用于生产替代物，如自体裂厚皮肤移植、同种异体移植、脱细胞真皮替代物和细胞化的移植物样商业产品。
皮肤组织的生物打印可以使用基于瓣膜的八通道生物打印机完成，其中13层组织是用胶原蛋白水凝胶构建的。
然后将角质形成细胞生物打印在交替层的人类包皮成纤维细胞和脱细胞胶原蛋白层上，以制造表皮层密集细胞结构。
制备的组织结构约10天后与宿主一起植入层状表皮中。
这导致了角质层分化和形成的早期迹象以及一些血管。
这一过程中使用的生物材料可能有所不同，但最常见的细胞是角质形成细胞和成纤维细胞。
此外，有感染或疾病的皮肤可以作为生物材料进行生物打印，研究疾病的病理生理。

b.骨骼和软骨

骨头和软骨制造是生物打印最成熟的用途，因为这种硬组织的组成不复杂，主要由无机元素组成。
尽管其他技术如发泡、盐浸和冷冻干燥已被用于生产这种硬组织，3D生物打印生产出最精确的结构。
利用热喷墨生物打印机从骨髓来源的人间充质干细胞制备聚甲基丙烯酸酯支架。
这些细胞与生物活性玻璃的纳米颗粒共同印刷，以控制细胞的空间布局。
在软骨组织工程中，纳米纤颤纤维素和海藻酸盐与人类软骨细胞作为活体软组织的组合制备了一种可打印的生物墨水。

c。血管

血管网络的生物打印是至关重要的，因为组织和器官的制造依赖于血管化，为生物打印结构提供氧气和介质。
用于生产生物打印血管网络的生物打印技术包括挤压和激光辅助生物打印技术。
在生物打印过程中，包括海藻酸钠和壳聚糖在内的氢凝胶直接以管状形式与封装的细胞进行生物打印。
由此形成的管状结构改善了代谢运输和细胞活力。

d。肝组织

由于肝脏细胞具有很强的再生能力，因此肝脏组织的生物打印技术相对较少。
但是，健康的供体有限，而且再生周期较长。
用于此目的的生物墨水包括初级肝细胞和干细胞来源的肝细胞等细胞。
3D打印技术可以提供准确的肝脏大小和形状，这是适合患者的。
生物打印产生的小管通过胶原基质连接在一起形成更大的结构。

2.药物开发/筛选

药物发现需要耗费大量时间和昂贵的过程，需要大量的财政投资和人力。
因此，开发一种技术来提高在药物发现过程中早期预测新开发药物疗效和毒性的能力，有助于减少所需的时间和金钱。
生物打印可以制造类似于自然组织的3D组织模型，并能够进行高通量分析。
最常见的是，肝脏和肿瘤组织是创建药物组织模型的主要焦点。
此外，还可以根据所研制药物的靶细胞，制备和测试这些细胞的组织模型。
最初，上皮细胞的组织结构被准备好，这些细胞形成药物扩散到血液中的内衬。
基于对这种结构的研究，可以假定药物的路径及其对靶细胞的作用。
同样，生物打印也可以作为开发处方药的替代方法。
药物甚至可以为每个病人定制，通过使用一套生化墨水准备适当剂量的药物打印。
3D打印的复合药片含有多种药物，释放率独特，可以使用，而不是每天服用多种药物。

3.毒理学检测

毒理学筛选或测试是确定化学品对个人或环境的潜在不利影响的过程。
化学品可能包括药物成分、化妆品成分、家用和工业化学品等化合物。
评估某些化学物质毒性的研究可能需要大量代谢不同的人体受试者，这似乎是不道德的。
有些研究可以在动物身上进行，但动物可能无法准确或可靠地预测人类的反应。
相反，使用3D生物打印技术可以提供一种高度自动化和先进的技术，可以制造出模仿人体组织结构和功能的结构。
这种结构的使用有利于各种化学品的实时监测和高通量筛选。
在与人体相关的皮肤组织模型上测试化妆品成分已经进行了很长时间。
这些试验在模拟人体组织结构的模型上研究皮肤吸收、皮肤刺激、皮肤腐蚀和皮肤致敏。

4.用于癌症研究的组织模型

长期以来，二维肿瘤模型一直被用于癌症研究，但由于二维模型缺乏细胞与细胞之间的相互作用，这些模型不能代表与生理相关的环境。
而3D生物打印可以再现癌症微环境，从而准确研究癌症的发病机制和转移。
利用空间介导的微环境和控制的细胞密度和细胞距离，可以同时对多种细胞类型进行生物打印，以可复制的方式形成多细胞结构。
利用明胶-海藻酸盐复合水凝胶对HeLa细胞进行生物打印，以研究细胞聚集。
这些组织可以用来研究癌症的进展，以及随着进展组织结构和功能的变化。
此外，组织模型还可以用来研究治疗方法对各种致癌物的有效性。

3D生物打印的局限性和未来的挑战

生物印刷的主要屏障是具有高生物相容性和机械强度的生物油墨。
目前使用的生物打印机技术的分辨率和速度相对较低，这对未来的发展提出了挑战。同样，生物打印机也应该与广泛的生物材料兼容。
生物打印工艺的速度应该提高到商业可接受的水平，以大规模生产生物材料，因为目前的速度缓慢。
组织结构的血管是3D生物打印的一个重要挑战，因为组织需要持续的氧气和营养。
3D生物打印技术存在一些伦理问题，因为这种方法的成本可能使穷人无法获得它。
因为生物打印是一项新技术，应该对其进行充分研究，以确保它对人类是安全的。
个性化3D打印技术可能会导致一系列的监管问题，以确保打印产品的监管。

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