清華大學《AHM》再發綜述：從科幻到現實，3D打印重塑醫療未來
隨著細胞培養技術從傳統的2D向復雜的3D模型的演變，人們對更精確地再現體內細胞環境的追求不斷推動著技術的發展。盡管2D培養在生物學研究和藥物開發中發揮了重要作用，但它們往往無法復制人體內復雜的細胞相互作用和生理反應。因此，3D細胞培養技術應運而生，它能更有效地模擬細胞外基質（ECM）和天然組織的復雜細胞排列。然而，傳統的微組織工程尚未達到完全復制器官樣結構的精度要求。
3D生物打印作為一種變革性的方法，提供了對微組織空間排列和機械性能的無與倫比的控制，從而解決了這一問題。這項技術能夠通過生物墨水的詳細分層來制作具有組織樣3D結構的微組織，允許直接構建類器官并微調對組織成熟至關重要的機械力。此外，3D打印設備為微組織提供了必要的指導和微環境，促進了復雜的組織相互作用。盡管3D生物打印在微組織工程中的應用前景廣闊，但目前仍面臨一些挑戰，包括生物墨水的開發、高分辨率血管化的實現以及打印結構的生物活性和長期穩定性等。
針對現狀，清華大學的王韞芳以及柳娟團隊聯合北京印刷學院的韓璐團隊主要探究了3D生物打印技術在精密微組織工程中的應用及其對再生醫學、疾病建模和藥物篩選等領域的影響。相關研究以“3D-Bioprinting for Precision Microtissue Engineering: Advances, Applications, and Prospects”為題發表在《Advanced Healthcare Materials》上。
以下是對目前亟待解決問題的簡要概述
（1）生物墨水的開發：需要開發出能夠充分支持細胞活力，同時具備適合打印的流變特性的生物墨水。
（2）高分辨率血管化：在生物打印組織中實現高分辨率的血管化，這對于組織的生存和功能至關重要，但現有技術在這方面還存在不足。
（3）打印結構的生物活性和長期穩定性：確保3D打印的微組織在體外和體內環境中具有足夠的生物活性和長期穩定性。
這篇文章為理解3D生物打印在精密微組織工程中的應用和前景提供了深入的分析，并通過探討關鍵技術和應用案例，展示了3D生物打印技術在再生醫學和藥物篩選等領域的應用潛力。
1. 3D生物打印技術概述
3D生物打印技術是一種先進的制造技術，通過逐層沉積生物材料和活細胞來支持微組織工程。
這項技術從傳統的2D打印演變而來，通過添加過程進行制造，最近作為一種“自下而上”的工程方法出現。3D生物打印技術能夠精確控制微組織的空間排列和機械性能，從而構建具有類似組織結構的3D微組織。它允許直接構建類器官并微調對組織成熟至關重要的機械力，為微組織提供了必要的指導和微環境，促進了復雜的組織相互作用。
盡管3D生物打印在微組織工程中的應用前景廣闊，但目前仍面臨一些挑戰，包括生物墨水的開發、高分辨率血管化的實現以及打印結構的生物活性和長期穩定性等。
2. 微組織工程的發展歷程
微組織工程的發展歷程始于1993年，當時Langer和Vacanti首次展示了組織工程的概念，這一概念隨后激發了微組織工程的發展，重點是創建用于精確生物應用的微型功能性組織模型。
傳統的組織工程方法通常采用“自上而下”的策略，其中首先使用3D打印和其他技術創建組織工程移植物的結構框架。隨后，將高密度種子細胞和生物分子引入預形成的支架中，以生成用于修復受損組織的組織工程移植物。在1995年，用于細胞培養的聚乙二醇（PEG）水凝膠為微組織工程提供了一個多功能的平臺，使創建模擬天然組織結構的受控3D環境成為可能，從而進行更準確的細胞行為研究。
在1998年，隨著人類胚胎干細胞的首次建立，它通過提供用于創建復雜功能性組織模型的通用細胞資源來徹底改變微組織工程，從而增強了個性化醫學以及對組織發育和疾病的理解。
3. 生物墨水的選擇與開發
生物墨水的選擇與開發是3D生物打印中的關鍵步驟。
理想的生物墨水應具有適當的機械完整性、生物相容性、可調的生物降解性以及支持大規模生產的能力。當前，主要使用的生物墨水包括基于細胞外基質（ECM）的水凝膠和脫細胞ECM（dECM）基水凝膠。這些材料在調節細胞行為、促進組織發育和疾病建模方面顯示出巨大潛力。此外，納米材料和生物活性分子也被整合到生物墨水中，以增強其功能性和打印性能。
盡管已取得顯著進展，但生物墨水的標準化和優化仍然是該領域面臨的重要挑戰，需要進一步的研究來改善生物墨水的打印性能和生物相容性。
4. 3D生物打印策略與關鍵技術
3D生物打印策略與關鍵技術涉及多種打印方法和凝膠化技術。
常見的3D生物打印策略包括激光輔助生物打印、立體光刻、噴墨生物打印和微擠壓打印等。每種策略都有其特定的應用場景和優勢，例如激光輔助生物打印能夠實現高精度的材料沉積，而微擠壓打印則適用于大規模生產。凝膠化方法如光引發聚合、熱凝膠化、超聲凝膠化和物理凝膠化等，對于形成穩定的3D結構至關重要。這些技術的優化對于提高打印分辨率、細胞存活率和組織功能具有重要意義。
此外，打印參數如生物墨水粘度、打印速度和能量輸入等也對打印結果有顯著影響，需要精確調控以實現高質量的3D生物打印。
5. 精密微組織工程的應用
精密微組織工程在生物醫學領域具有廣泛的應用，包括基礎細胞研究、疾病建模、高通量藥物篩選和再生醫學等。
3D生物打印技術能夠構建高度仿生的微組織，為研究細胞行為、組織發育和疾病機制提供了強大的工具。在疾病建模方面，3D生物打印能夠重現復雜的人體組織微環境，用于模擬各種疾病狀態，如癌癥、肝臟疾病等，從而支持個性化醫療和藥物開發。此外，通過高通量藥物篩選，3D生物打印技術能夠加速新藥發現和評估過程，提高藥物研發的效率和準確性。在再生醫學領域，3D生物打印技術可用于制造復雜的組織結構和器官，有望實現受損組織的修復和再生。
總之，精密微組織工程的應用前景廣闊，有望為醫療健康領域帶來革命性的變革。
6. 未來展望與挑戰
盡管3D生物打印技術在微組織工程中顯示出巨大潛力，但該領域仍面臨一些挑戰。
首先，生物墨水的開發是一個重要問題，需要研發出具有更好生物相容性和打印性能的生物墨水。其次，實現高分辨率的血管化對于提高打印組織的生存率和功能至關重要，但目前的技術在這一方面還存在不足。此外，打印結構的長期穩定性和生物活性也是需要解決的問題。為了應對這些挑戰，需要多學科的合作，包括材料科學、生物學和工程學等。
未來，隨著技術的不斷進步和創新，3D生物打印技術有望在個性化醫療、再生醫學和藥物開發等領域發揮更大的作用，為醫療健康領域帶來革命性的變革。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202403781
(責任編輯：admin)
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