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武漢易成三維是國內(nèi)領先的3D打印綜合方案供應商，始終專注于制造、教育、科研、軍工等領域，迄今為止已為約600所著名高校、科研院所、約10000個企業(yè)機構提供專業(yè)的3D打印設備、服務及平臺化數(shù)字智造應用方案。

對3D生物打印的興趣和生物醫(yī)學需求持續(xù)增加。了解有關醫(yī)學中3D打印的所有信息。

3D生物打印是一種增材制造工藝，其中有機和生物材料（如活細胞和營養(yǎng)物質(zhì)）結合在一起，形成模仿天然人體組織的人造結構。

換句話說，生物打印是一種3D打印，可以潛在地產(chǎn)生從骨組織和血管到活組織的任何東西，用于各種醫(yī)療應用，包括組織工程和藥物測試和開發(fā)。

也許3D生物打印最重要的驅動力是再生醫(yī)學。根據(jù)克里斯·梅森（Chris Mason）和彼得·鄧尼爾（Peter Dunnill）的說法，這涉及替換或再生“人體細胞，組織或器官，以恢復或建立正常功能”。在這里，生物打印可以發(fā)揮核心作用，特別是考慮到全球對器官和組織移植的高需求。

在本文中，我們將探討被稱為3D生物打印的迷人而未來主義的技術。我們將介紹其最重要的方面，包括其主要應用程序，它的工作原理以及它在未來如何設想工作。

在進入本文之前，值得注意的是，很少有3D生物打印應用程序可供患者使用，盡管未來看起來非常有希望，但您不應該對擁有新的肝臟或心臟抱有很高的期望。

生物3d打印的主要應用

從生物打印技術中獲得的產(chǎn)品可以模仿我們身體天然存在的結構和組織的生物和功能特性。這可能會導致不同類型的應用，但今天生物打印只有一個可行的用途：藥物測試和研究。

雖然3D生物打印的最終目標是生產(chǎn)用于移植的人造器官（正如我們接下來將看到的），但使它們作為真實器官發(fā)揮作用的復雜性是巨大的。然而，今天的科學家可以成功地創(chuàng)造出模仿自然結構和組織的生物結構和組織。

因此，研究人員已經(jīng)可以創(chuàng)建化學行為類似于腎組織的結構，而不是生物打印功能齊全的腎臟。雖然與最初的目標相去甚遠，但這些結構可以用來測試新藥，而不必依賴可能遭受意外副作用的現(xiàn)實生活中的患者。

除了道德部分之外，使用生物打印材料的藥物開發(fā)可以使新藥的臨床前試驗更具成本效益，幫助它們得到驗證并更快地進入市場，同時還可能減少對動物試驗的需求。

未來應用

然而，3D生物打印最初是一種再生醫(yī)學工具。生產(chǎn)用于移植的人工器官將解決高需求和低可用性的問題，以及與器官排斥相關的手術后并發(fā)癥，因為制造的器官將使用患者自己的有機材料進行開發(fā)。

雖然器官置換是最終目標，但與此同時，組織修復已經(jīng)顯示出非常有希望的結果。而不是創(chuàng)建整個功能器官，小組織貼片可以潛在地用于再生和治療肝臟和心臟等器官。骨骼和皮膚移植也可以從該技術中受益，包括用于重建和美學目的的手術。

這兩種與再生醫(yī)學相關的應用仍在開發(fā)中，只有少數(shù)幾個成功案例在研究實驗室和動物中，例如多倫多大學在燒傷上“打印”皮膚的項目。

生物3d打印它是如何工作的？

從本質(zhì)上講，3D生物打印的工作原理類似于傳統(tǒng)的3D打印：數(shù)字模型通過逐層制造技術轉換為物理三維物體。

有幾種生物打印方法可用，包括基于擠出的方法，其中材料從針中排出以形成層，以及激光輔助技術，其中激光充當熱源以幫助將材料沉積到基板上，其過程類似于選擇性激光熔化（SLM）。

無論生物打印方法如何，這里原料由生物制劑和活細胞組成，而不是長絲，樹脂和金屬等無機原料。

這些材料被稱為生物墨水，主要由載體材料中的生物物質(zhì)像細胞一樣組成 - 如膠原蛋白，明膠，透明質(zhì)酸，蠶絲，藻酸鹽或納米纖維素 - 它們充當分子支架，用于結構生長和營養(yǎng)物質(zhì)提供支持。

一般來說，生物打印過程作為一個整體涉及幾個步驟，可以總結為三個關鍵階段：準備，其中包括創(chuàng)建數(shù)字模型（類似于傳統(tǒng)3D打印的3D建模階段）;逐層施工過程本身;以及涉及機械和化學刺激以穩(wěn)定結構和成熟生物材料的生物打印后階段。

在下一節(jié)中，我們將詳細介紹一般3D生物打印工作流程的各個步驟。

生物打印的關鍵步驟

盡管有各種3D生物打印類型和方法，但典型的過程遵循大致相同的標準系列步驟。

制備

• 3D 成像：與3D掃描與傳統(tǒng)3D打印類似，利用正常的計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）掃描來獲取有關生物結構及其周圍環(huán)境的盡可能多的信息。
• 3D 建模：結構或組織的實際三維模型由特殊軟件生成。該模型是在微觀尺度上開發(fā)的，已經(jīng)考慮了逐層制造方法和載體材料。
• 生物墨水制備：生物墨水的類型和制備取決于特定生物打印機的印刷方法。例如，在基于擠出的生物打印方法中，生物墨水應該是一種高粘度流體，以便在擠出后保持相對結構，而對于其他方法，如噴墨或涉及微流控性的方法，原料材料必須處于更液態(tài)才能正常流動。

建筑（或3D打印）

• 印刷：無論使用何種方法，3D生物打印過程都涉及逐層沉積材料。在某些生物打印方法中，打印分辨率可以達到令人難以置信的單細胞沉積，例如Fluicell的微流體流動打印。

生物打印后

• 交聯(lián)：一旦打印出來，材料仍然處于相對遲鈍的狀態(tài)，因此需要額外的步驟才能正確固化并將它們混合在一起。這被稱為交聯(lián)，它是確保印刷結構的機械和化學性能的重要步驟。交聯(lián)可以使用不同的環(huán)境控制，如紫外線，溫度和化學品等。
• 成熟：最后，生物打印和交聯(lián)結構需要生物生長。這意味著打印的活細胞將繁殖，組織將沿著下面的打印結構生長。這一步也稱為孵育，在生物反應器內(nèi)完成，為繁殖和組織生長創(chuàng)造有利環(huán)境。

對于許多人來說，3D生物打印機的市場并不小，這可能會讓人感到驚訝。對于初學者來說，有不同的生物打印方法，可以分為四大類：基于擠出，基于噴墨，激光輔助和立體光刻。

每種方法都有不同的優(yōu)缺點，每種方法都更適合某些生物打印目的。從適度的臺式機器到大型生物打印站，設備尺寸，功能和用途各不相同。讓我們回顧一些生物打印機，以更好地說明這個想法。

雖然我們離大規(guī)模生產(chǎn)人造器官和人體組織還很遠，但在過去幾年中，聽到生物制造領域令人興奮的新發(fā)展并不罕見。

2019年4月，全球新聞媒體報道了特拉維夫大學分子細胞生物學和生物技術學院開發(fā)的第一個血管化3D打印微型心臟。迷你器官是使用患者特定的材料制成的，但沒有顯示出任何功能。

然而，就在以色列研究人員取得突破幾個月后，美國生物技術公司BioLife4D宣布了自己的生物打印心臟，該心臟更大，并復制了人類心臟中發(fā)現(xiàn)的一些功能。

器官生物打印的另一項大規(guī)模發(fā)展是由紐約倫斯勒理工學院的研究人員實現(xiàn)的。在2019年，他們能夠創(chuàng)建完全血管化的皮膚貼片。皮膚是人體最大的器官，由患者自身細胞制成的人造貼片將能夠快速治療嚴重的燒傷受害者。該團隊現(xiàn)在專注于開發(fā)移植并將貼片的血管系統(tǒng)直接整合到患者體內(nèi)。

隨著生物打印機市場的增長以及對組織工程和再生醫(yī)學的興趣日益濃厚，很明顯，生物打印技術將繼續(xù)以更快的速度發(fā)展。

它確實將從道德和倫理的角度證明其價值，這始終是與醫(yī)學和自然相關的技術的重大挑戰(zhàn)。讓我們看看這項技術在幾十年后將如何發(fā)展。