[科普中国]-3D生物打印机

3D生物打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。1

介绍3D生物打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。

3D生物打印这一技术概念最早是由美国Clemson university、University of Missouri、Drexel University等大学的教授在2000年左右提出，2003年Mironv V和Boland T在Trends in Biotechnology杂志系统提出“器官3D打印”这一概念。12002年左右，清华大学颜永年教授率先在国内开展3D生物打印技术研究。

2010年Organovo公司推出可以帮助用户制造生物组织用于研究和开发的3D生物打印机。 2014年11月，Organovo推出了其可商用的3D打印人体肝脏组织exVive3DTM，用于临床前药物测试。（YAHOO）

2013年8月7日Regenovo公司与杭州电子科技大学等高校的科学家合作，成功研制出可同时打印生物材料和活细胞的3D打印机。2015年10月10日， Regenovo公司推出第三代生物3D打印工作站。利用这款生物3D打印设备，成功批量“打印”出肝单元用于药物筛选。（新华社、人民日报）

2015年10月29日，四川蓝光英诺生物科技股份有限公司成功研制出世界首创的3D生物血管打印机。（人民日报）

功能介绍3D生物打印机（3D bio-printer；3D biology printer ）是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。2

器官移植可以拯救很多人体器官功能衰竭或损坏的患者生命，但这项技术也存在器官来源不足、排异反应难以避免等弊端。不过，随着未来“生物打印机”的问世，这些问题的解决有了新的技术手段。

这种机器首先读入由医学影像数据重建或设计的三维模型，将模型离散成多个片层，计算机控制打印喷头逐层"打印”打印由生物材料或细胞组成的“生物墨水”，不断重复这一过程，直至打印完成三维组织前体。随后，细胞开始重新组织、熔合，形成新的血管等组织结构。

Organovo公司首席执行官基思·墨菲在接受《工程师》杂志采访时指出，最终有一天，只需轻轻按下按钮，就能让3D生物打印机制造出我们所需要的器官。

组成结构3D生物打印机基于现有技术发明，这些技术当前被用以制造工业零部件的3D模型。生物打印机的不同之处在于，它不是利用一层层的塑料，而是利用一层层的生物材料或者细胞构造块，去制造真正的活体组织

3D生物打印机可以有多个打印喷头，喷头可以打印人体细胞，被称为“生物墨”；也可以打印纯生物材料，被称为“生物纸”。所谓生物纸其实是主要成分是水凝胶，可用作细胞生长的支架。3D生物打印机使用来自患者自己身体的细胞，所以不会产生排异反应。

过程3D 生物打印一般有以下三步骤：生物打印前、生物打印中、生物打印后。

生物打印前生物打印前，需要先计划细胞支架的结构并选择打印中会使用到的材质。

开始打印前，要先取得患者器官的组织检体和医学影像。 使用电脑断层和核磁共振取得患者的医学影像，是最常见的方法。取得影像后，利用软件将平面的医学影像重建出立体结构，并分离出预计要培养的细胞并加以增量后，便完成打印前的准备。这些细胞将和液态的特殊生物材质，在细胞混合器中混合。这种特殊生物材质能提供，细胞生存所需的氧气与其他营养物质。在某些特殊情况，细胞甚至会被放入直径500微米的小球中，被保护起来。混入液体凝胶中的细胞并不需要细胞支架即可生存。这些细胞和营养基质的混合物将被放入管状的容器中，在打印的过程被挤压出来，以形成组织的形状。

生物打印中生物打印第二步骤，将应用到生物墨水。生物墨水指的就是细胞与维生物质混合的液体基质，在第二步骤中，生物墨水将被放在生物打印机的墨水匣中，依照患者的医学影像资料，依序打印。生物打印所制造出来的初始组织物，将被送入细胞培养器中，慢慢地将充满细胞的初始组织培育成真正的组织。

生物打印常常会需要将细胞平均散布到生物相容的支架上，这些生物相容的支架由积层制造法制造而成，最终形成了立体的组织似的架构。生物打印所制造的人工肝脏与人工肾脏，目前仍旧缺乏像是血管或是肾小管等的功能性单位，而且非常难以培育成多细胞的完整器官。

发展前景国外2013年5月出版的《新英格兰医学杂志》发表公开信，科学家成功将3D打印出的气管支架植入婴儿体内。

密歇根大学安阿伯分校的医学博士大卫·措普夫（David A.Zopf）和同事描述了这例移植手术。接受移植的婴儿患有局部支气管软化症，手术中使用的可吸收支架由聚己内酯构成。

作者指出，患儿母亲在妊娠35周产下了这个名叫 Kaiba Gionfriddo 的男婴，看起来身体健康，但在6个星期后出现胸壁凹陷和呼吸困难。发生这种情况，意味着在2个月大之前，都需要气管插管，以维持通气。因此，他们用计算机设计了一个患儿气管支架的模型，使用热塑性的生物可吸收材料，通过激光烧结技术制造了一个气管支架。在移植手术中，依靠支架上的孔洞与气管进行固定。在安置支架7天后，开始逐步撤除机械通气机，并在手术后21天完全停止呼吸机支持。一年以后，通过内窥镜造影手术观察患儿的左主支气管，发现一切正常。到目前为止，没有发生过任何支架相关的问题。

中国媒体2013年8月7日来自杭州电子科技大学等高校的科学家自主研发出一台生物材料3D打印机。科学家们使用生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料或活细胞，已在这台打印机上成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元等。3

该生物材料3D打印机研发团队负责人、杭州电子科技大学教授徐铭恩说，这台生物材料3D打印机具有打印生物材料种类多、对细胞损伤率低、打印精度较高和操作方便等特点。同国际同类打印机相比，这台名为“Regenovo”的3D打印机不仅实现了无菌条件下的生物材料和细胞3D打印，而且新型的温控单元和打印喷头设计，能够支持从－5℃到260℃熔融的多种生物材料打印。

徐铭恩介绍说，“Regenovo”支持活细胞打印，打印的细胞有着高达90%的存活率。目前打印出来的活细胞存活时间最长为4个月。

不过，从人体细胞、组织乃至器官被“打印”出来，到真正应用于临床，还有相当长一段路需要走。徐铭恩说，这需要多种领域的科学家通力合作。

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院