摘要 21世纪，制造业从批量化、实用性、高效率的特征逐步向高精度、高集成和个性化发展特征转变。三维打印(Three-Dimensional Printing,3DP)技术的产生，正好满足这一要求。与传统的工业建模技
21世纪，制造业从批量化、实用性、高效率的特征逐步向高精度、高集成和个性化发展特征转变。三维打印(Three-Dimensional Printing,3DP)技术的产生，正好满足这一要求。与传统的工业建模技术不同，3DP采用逐层堆积的制造方式完成三维结构的构建。模型只需通过3D制图软件构建，方便灵巧，制备简单，是一种新型快速成型制造技术[1]。3DP正在逐渐改变工业生产的方式，习近平指出“这个技术很重要，要抓紧产业化”。
生物三维打印(Bio-3DP)是将生物医学技术和3DP技术相融合，并以解决生命健康领域的科学问题、器械制造和临床医学需求为目的，以个性化设计和制造为特点的新兴技术。生物3DP的材料主要有活细胞、生长因子和水凝胶类等;应用高精度、多组分的打印技术，结合体外细胞培养和组织培养技术等构建具有个性化或生物活性的复杂三维结构，可实现个性化植入体、人造骨骼、人造血管、人工器官的制造，为移植器官医学的发展提供新的来源和途径[2]。Bio-3DP技术目前已在术前规划、骨科、金属植入物、软组织类器官制造等医学领域得以推广与应用;近年来，活体细胞、体外血管的构建、人体仿生组织和器官的打印技术都已取得了实质性突破。
本文从3DP技术的类型、生物3DP的技术特点和应用展开，结合最新的生物3DP发展情况和相关领域的最新研究应用进展，分析当前该技术所面临的问题，探讨生物3DP的未来发展前景。
1 3DP技术概述
3DP技术的打印数据可以来源于物体的断层成像或通过计算机建模软件(3D max等)生成的三维数据模型，以STL格式输入计算机系统中，分层切割形成以层为单位的切数据。打印方式有激光束打印、热熔喷嘴打印等。打印原料包括塑料、粉末(陶瓷、金属)、光敏树脂、生物细胞组织等。通过二维打印平面的逐层叠加，最终堆砌出所需要的三维产品，必要时可进一步后处理。3DP具有制造工艺简单、自动化程度高和设计成本低等特点，是一种快速成型的、增材制造新的新型数字化成型技术。
按打印原理的不同，3DP技术可分为三维印刷工艺、数字光处理技术、选区激光烧结技术、熔融沉积成型技术和立体光固化成型技术等。
1.1 三维印刷工艺
三维印刷工艺是采用石膏、陶瓷、金属等粉末为原材料，与平面打印非常相似，甚至可以使用平面打印机的打印头进行成型。与立体光固化成型技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA)的激光烧结成型不同，零件的切面通过喷嘴用粘合剂(硅胶等)印刷在材料粉末上。打印物的每一层截面都是由片平铺的粉末在黏合剂的作用下形成的，黏合剂通过喷头挤出。可概括为一送(粉)二铺(粉)三喷射(粘结剂)。如此循环重复，最终完成一个三维粉体的粘结体[3]。
该工艺的优点是打印速度快，不需要多余支撑;可根据所需打印物的颜色向打印材料中加入不同的颜色;冗余粉末的去除较为方便，成本低廉。缺点是力学性能差、强度低，成品表面不如立体光固化技术光洁，精细度也不佳。
1.2 数字光处理技术
数字光处理技术(Digital Light Processing,DLP)是先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来，是以选区激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)和SLA为基础的3DP技术。利用DLP投影可见光通过液体光敏树脂的表层，使发生聚合反应，形成投影形状，层层投影，层层固化，最终成型出三维产品[4]。
其优点是速度快、精度高，光源采用LED具有体积小、寿命长和环保等特点。其不足之处是光敏树脂材料价格贵，固化后脆性，对于复杂的结构需要加支撑，不方便维护。
1.3 选择性激光烧结成形技术
SLS是一种增材制造技术，使用YAG激光器或光纤激光器(100 W以上)，利用计算结三维模型的切片数据来控制激光束把金属、陶瓷等粉末材料熔化，逐层烧结、逐层叠加，再通过凝固过程堆积出密度接近100%的粉末结合体，最后进行烧结好，制得三维产品[5]。
SLS工艺与传统技术相比，是真正意义上的自由制造，理论上传统工艺无法完成的内部形状复杂的零件，SLS都可以完成。材料要求低，只要熔融后可以粘结都可以作为原材料。尽管SLS印刷部件表面成型件表面粗糙需打磨，但是加工零件具有高强度和刚度，有着良好的耐化学性。
1.4 熔融沉积成型技术
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是20世纪80年代最先提出的堆积打印技术。喷头沿x方向移动，工作台沿y、z轴方向移动。热熔性材料(ABS、PLA)先从管中加入，进入喷头并进行加热，使其融化成为流体，计算机控制打印机再将其挤出，挤出的同时冷却与之前的挤出物粘结，喷头沿着切面轮廓方向一圈一圈由外向内挤出并凝固堆积，完成下层的截面之后，工作台下降继续打印[6]。
FDM的优点如下：材料来源广泛，如蜡、PLA、PC等能够熔融塑化的材料均可;不需要激光器，设备结构简单，成本低廉，后处理过程简单。作为最早的成型技术，如今在玩具、模型和设计方面得到广泛的应用。然而，FDM难以生产过大尺寸产品，一般只可以打印中小型物体;生成效率较低，打印时间一般需要几个小时;由于其工作原理，外部轮廓纹理明显，影响其美观;层与层之间靠凝结而成，力学性能也不太理想。
1.5 SLA
SLA以光敏树脂(多为环氧化物)、光引发剂、活性单体和稳定剂等为主要组分，在紫外光的照射下逐渐由低聚物变成交联高分子聚合物，低粘度的液态树脂转变成为固态树脂，打印板向上移动，打印下层的形状，一层层叠加最终形成零件[7]。
该技术的优点是光敏树脂在分子水平层次发生化学反应，打印精确度高，尺寸收缩率小，打印出来的产品惟妙惟肖，强度较高。可计算机修图、可联机操作，可远程控制，有利于生产的自动化。其不足是原材料和设备的成本较贵，打印大型器件时需要加入支撑，不然容易塌陷。光敏树脂的品种有限，如何改良得到更好的光敏树脂也是该领域的关键。
2 Bio-3DP的方式和特点
2.1 Bio-3DP概述
Bio-3DP基于计算机3D模型，利用生物打印材料如陶瓷基浆料、医用高分子材料、水凝胶浆料等，按照仿生学形态功能和环境，通过离散堆积的方法，打印出所需的结构复杂、功能齐全的生物医用产品。通过制造技术和生命科学的组合，其发展潜力巨大，可以用于制造人体组织和脏器。未来，心脏或者其他器官移植的最终极发展方向将发生最根本的改变。
细胞的生长需要特定的生物环境和条件。因此，Bio-3DP与一般的3DP技术不同，需要在特定的环境中进行，即在适应细胞生长繁殖的环境中进行相关细胞、组织的打印与培养。利用Bio-3DP技术进行细胞和基质培养，既要保证生物活性，又要通过应用该技术实现组织和脏器的个性化制造[8]。
2.2 Bio-3DP的方式及特点
喷墨Bio-3DP的原理是将带有导电性的细胞墨水在压力作用下送入喷头喷枪，经过超声波或者电能的作用使细胞喷出时每个墨滴带有指定的动能，连续不断形成液串，按3D模型的要求准确落在打印载体表面的特定位置。其关键问题是解决细胞的生物活性和墨滴着陆位置[9]。其优点是生物活性高，打印速度较可观。但是，在喷墨过程中，难以控制液滴的方向性和液滴的大小;混合生物细胞的墨水容易受热、电、其他能量的影响，造成细胞活性降低;因打印材料的粘度要求导致可选择的材料非常有限。热电喷墨打印机的工作取决于打印头的电加热，使得产生压力脉冲并使液滴远离喷嘴。
热熔生物材料由加热器熔化，材料首先被引入细丝，然后由送丝机传送到热熔喷嘴。热熔喷嘴处有加热装置可以加热材料。另一方面，根据软件设计的分层数据控制路径，将半热熔状态材料挤压到预定位置并沉积之后，将其凝固形成。细胞在体外培养时不能承受过高的温度，因此热熔环境对细胞是极大的伤害，细胞活性差是影响该技术在临床方面应用的主要因素[10]。
另一种打印技术是激光辅助生物打印(Laser Assisted Bioprinting,LAB)，使用激光诱导前向移动原理移动细胞，通过激光和聚焦片使焦点聚焦在吸收层(金或钛)以达到加热效果，热量由吸收层传播到下层的生物墨水层薄膜，薄膜形变产生射流。其中吸收层作用是保护细胞，防止激光直接接触生物墨水，现如今利用飞秒激光已经发展出超快激光诱导动物细胞水凝胶的方法。LAB可打印从毫米级到纳米级形态特征的生物结构;所有的细胞类型都能打印;无喷头，不存在细胞堵塞问题。细胞存活率在95%以上。但是吸收层容易被污染且造价昂贵，临床应用受限。
3 Bio-3DP的研究现状
3.1 Bio-3DP的四个层次
Bio-3DP的发展可以分为四个层次。
第1层次不涉及生物培养技术，使用的材料是非降解的生物不相容材料，打印产物大多为非植入目的的仿生模型。如：利用3DP技术制造的个性化手骨支架模型，可以代替石膏板更加灵活方便、打印器官模型(口腔、骨骼)，用于放射治疗的防辐射器具[11]，模拟手术等。
第2层次使用生物相容、非降解材料进行永久植入物的制造。植入型医疗器械个性化的定制，利用钛合金材料打印与患者完美契合。医生可以借助3DP技术，按照1∶1的比例完整打印出患者所需的骨骼如：Basgul等[12]利用熔融PEEK长丝的方法3DP出腰椎融合器标准件。徐蒙蒙等[13]通过实验研究，给出了一种通过3DP来制备组织补片的方法。
第3层次进行人工活性组织支架的研究，可以植入人体并修复植入部位损伤的功能，也可以作为细胞繁殖分化和新陈代谢的场所，也是信号分子和活性因子的载体，可以促进细胞的融合。气道支架和心脏支架已经越来越多的应用在临床手术中。组织工程支架应用广泛，几乎涉及人体所有器官。支架类型包括骨支架、神经支架、皮肤支架、其他组织支架等，具有良好的可降解和生物相容性。
第4层次在合适的体外环境进行细胞和器官的打印与培养[14]。生物材料包括有细胞外基质功能的水凝胶、不同的干细胞和营养物质。先将细胞(或细胞聚集体)和溶胶(水凝胶的前驱体)的混合物在营养物质中进行培养。Bio-3DP时，将混合液加入打印喷头，通过3D软件的编码，可以精确控制细胞分布在预定打印点。器官打印在细胞打印的基础上，需要构造更多的细微管道结构，实现血液和营养物质的输送。
3.2 Bio-3DP的研究现状
严格来讲，只有第四个层次的制造过程设计到细胞和组织，是真正意义上Bio-3DP。前三个层次经过数十年的发展，如今技术已经成熟。生物模型的打印如口腔模型，可以帮助医生更好地完成手术规划，也方便实习生更直观的掌握医学结构。仿生骨骼和关节、可降解的制品，如活性陶瓷骨、可降解的血管支架、多层复合结构气道支架[15]、载药气管支架[16]等研究也已有很多的报道。
近几年来，虽然Bio-3DP已经可以成功打印出外形神似的组织和器官，但是组织和器官内部血管通道如何打印，如何在体外打印未分化的细胞、培养干细胞等问题仍未解决。如何实现Bio-3DP的功能化突破和应用，解决形似而神不似的问题是Bio-3DP的未来发展突破瓶颈的问题。对细胞打印而言，控形控性所涵盖的三大基础科学问题为：生物墨水的可控化、打印结构的活性化、打印结构的功能化。作者认为可以从生物材料(生物墨水)的合成、打印工艺(打印机)的改良到营养输送通道(血管、神经)的构建，以及功能化的诱导等方面攻克系列难题。
生物墨水为细胞提供体外的生存环境，因此要有非常好的生物活性，要营造与细胞外基质相同的生物环境，只有这样才能更好地使细胞在墨水中存活、增殖分化并建立彼此间的通信[17]。目前，最常用的海藻酸盐系生物墨水成形性能及机械性能较好，但是生物兼容性方面不如胶原类生物墨水;胶原类生物墨水由于其来源于生物体内具有良好生物相容性也有应用，但是需要后期改性或混入改性材料。Gel MA材料可打印性及可成形性都十分优秀，是Bio-3DP中不可或缺的材料。
明胶、海藻酸盐、细胞外基质、嵌段共聚物F127、聚乙二醇二丙烯酸酯均为常见Bio-3DP材料。医用高分子水凝胶具有十分优秀的生物相容性，呈现三维网状结构，无毒无刺激，利用1 mm水凝胶管道模型，可以实现由毛细血管到微血管床的培养[18]。王锦阳等[19]发现可以用负载层纤维细胞和角化细胞的胶原，可作为3DP再生皮肤组织的原料。多孔网状自增强仿生软组织补片[20]为软组织的培养提供了可行的理论依据。
2019年，王见等[21]开发了一种基于核磁共振的3DP。3D打印遇上MRI医疗诊断如虎添翼。MRI能获得原生三维断面成像，对软组织、中枢神经等有高分辨率，多序列成像使其数据可与3DP完美结合。
另外，有研究者从小鼠中提取胚胎干细胞，并将胚胎干细胞与水凝胶生物材料混合，运用计算机断层扫描成像技术得到的生物参数进行生物打印，成功获得仿生主动脉[22]。以及使用微挤压打印技术将海藻酸钠、明胶和PEGTA等生物材料与皮肤干细胞相混合，制备出既符合生物力学要求又具有良好生物相容性的人造血管[23]。
2017年，Hu等[24]使用小鼠体内提取的脂肪干细胞和纤维细胞生长因子2(碱性因子)的混合材料，利用光固化打印技术得到仿生神经，并将其移植到小鼠的神经伤口四周，观察发现仿生神经有着和小鼠自身相同的修复效果。
同年，Zhang等[25]也报道了多细胞/材料体系的仿生打印技术，可以在体外打印培养构造仿生器官，他们设计的高自动化材料打印机适用于多种不同的“生物墨水”，为体外器官再生等提供有效路径。及至2019年，研究者基于多喷头生物3DP系统和溶芯支撑法，运用超低温打印技术，以胶原为管壁材料，水凝胶F127为溶芯材料构建复合管腔结构，经过溶液交联及冻干处理后将支架浸泡在1℃的去离子水中以去除溶芯材料，顺利获得了具有较好结构及力学性能的胶原管腔支架结构[26]。
Bio-3DP材料和机器同样也是生物打印发展的关键。2015年，瑞典公司以确立Bio-3DP领域的统一标准为目标，开创了一种通用Bio-3DP墨水，世界上首例基于纳米纤维的水凝胶生物打印油墨套件具有易处理、耐冲击的特性，在仿生组织模型方面具有良好的应用前景。这款Bio-3DP油墨在人类的组织模型构建方面具有光明的未来。2017年生物3D打印机的研究也有了里程碑的突破——中国研制出首台高通量、集成化的打印机。
4 生物3D打印技术的未来展望
Bio-3DP技术方兴未艾，4D打印技术也正备受社会关注，未来将属于4D打印技术。4D打印技术基于3DP，添加了时间维度。形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs)，又称为形状记忆高分子，也就是具有初始形状的物件，通过外部作用力使其形变到特定形状，当所处状态恢复或环境恢复到原始时，物件可以不受外力的帮助恢复到初始形状。可以完成“忆起始态——固定变形态——恢复起始态”的循环[27]。
未来生物4D打印将在生物医疗领域大显身手。应用纳米技术可以使生物技术在有限的血管内发挥无限的作用。心脏支架是4D打印应用的一种，微型心脏支架通过血管注入人体，当它达到心脏指定的部位时，给予物理刺激，便可以变形成为心脏支架。可以减少患者的痛苦，不需要开胸手术。麻省理工学院制造出一种微型药物胶囊，当人体生病发烧体温过高时，胶囊形变释放药物，第一时间达到治疗效果[28]。
李春妍等[29]利用Fe3O4纳米颗粒改良PLA，使聚乳酸拥有磁性，打印的形状记忆纳米复合材料支架放置在交变磁场中时，折叠的支架可以在短时间内非接触的进行驱动展。4D支架结构实现了非接触控制和远程驱动，在微创血管支架领域具有很大的应用前景。Chon等[30]以甲基丙烯酸酯化的聚己内酯为材料，利用SLA技术成功打印出一种遇热时10 s左右可恢复到原始形状的“记忆”气管支架。也有报道指出可以采用3D印刷技术制造由天然蛋白质和水凝胶材料组成的新型叶状4D打印结构。
4D印刷SMP的研究虽然取得了阶段性的进展，但是到全面应用到临床手术中仍需继续努力。目前，直接4D印刷SMPs都是单向的，如何做到双向可逆性，需要设计结构和复合印刷，增加了基于SMPs的4D结构印刷的复杂度，对装置的需求也更高。4D印刷用的SMPs大部分是热驱动材料，也有部分是磁场驱动材料。从印刷工艺的角度来看，当加热细胞组织时，生物活性将大大降低。因此生物4D打印技术的特征和缺点也极大地限制了可印刷SMPs的种类和4D印刷品的性能。未来还有很长的路要走。
5 结论
从Bio-3DP技术从提出到如今已经经历了十多年的发展，可以说是机遇和挑战并存，特别是将其应用于临床仍面临诸多挑战和难题。许多具有里程碑意义的技术虽已被研究并逐步开始应用，但如何找到合适的细胞、组织和脏器，以及在构成器官中细胞如何更好地相互作用有待持续深入。此外，需进一步优化和改进打印工艺，开发更优的生物材料也是重点。Bio-3DP的进步将引发生命科学领域的新革命，特别在组织和器官修复和再造方面发挥巨大作用，解决器官和组织移植领域的来源这一世界难题。到那时候，人类有望实现人体组织和器官“坏哪里换哪里”的期望。
参考文献
[1]吴惠英研究与技术基于3D生物打印技术制备生物医用材料的研究进展[J].丝绸,2019,(6):38-45.
[2]Liu Y,Ke X,Yu L.et al.Composite bioabsorbable vascular stents via 3D bio-printing and electrospinning for treating stenotic vessels[J].J Southe Uni,2015,6(2):96-100.
[3]齐俊梅，姚雪丽，陈辉辉等.3D打印聚台物材料的研究进展[J]热固性树脂2019,22(1):60-63.
《生物3D打印在医学领域的研究及应用》来源：《中国医疗设备》，作者：宋佳奇 陈海莲 阳范文
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