引言
3D打印是一种增材制造并通过数字控制连续材料层的沉积来制造3D材料。虽然到目前为止，3D打印的大多数医疗应用都涉及静态的非生物结构，旨在用作结构假体或填充空间的假体，并且也取得了不错的成绩，但是生物打印的活细胞结构仍然面临着相当大的挑战。
近期，维克森林医学院的Anthony Atalat教授在Nature Biomedical Engineering上发表了题为“Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting”的Perspective论文，系统地分析了生物3D打印技术向临床转化所面临的机遇和挑战。
当前现状
软骨：切稀疏的纳米原纤化纤维素中的人类软骨细胞沉积可以与可交联的藻酸盐结合使用，以高保真度和稳定性印刷解剖形状的软骨结构，例如人的耳朵和羊的半月板（图1）。而且有研究表明，3D打印的软骨在体内中植入后，可以具有人类耳廓的组织学和力学特性。骨髓来源的骨髓间充质基质细胞(MSCs)可以作为细胞来源来获得功能性软骨细胞。MSCs中软骨形成的诱导也可以通过添加特定的生长因子来轻松实现，并且可以通过控制生物力学环境进行调节。
▲图一.耳朵软骨
骨：骨是最常见的移植固体组织(只有输血更为常见)，但传统的骨组织生物制造技术具有明显的局限性和并发症，如缺乏可用的自体材料和供体部位的发病率(特别是节段性缺损)。因此，研究人员尝试将骨的自然再生潜力与生物打印的好处结合起来，例如仿生纳米陶瓷，钙-磷酸盐-胶原复合骨支架等，取得了不错的效果。可是在重现皮质骨的适当力学特性方面，许多3D生物打印方法主要依赖于硬支架，这会引起细胞分布不均匀和细胞附着不良相关问题的发生。结果最好的方法仍然是那些成功引导骨愈合以填充损伤的方法。使用生物打印来引导先天愈合过程，以解剖学上准确的形状填充大的骨损伤(而不是寻求复制骨形成的发育阶段的方法)具有临床潜力。
皮肤：皮肤结构的3D生物打印主要有两种方法：体外生物打印和直接原位生物打印。而原位生物打印可以快速覆盖大面积创面的永久性皮肤组织，并加速其愈合。与移植体外组装的结构相比能够避免了在运输和处理过程中损坏薄而脆弱的结构的风险，并避免了与复杂三维拓扑结构的正确放置和定位相关的潜在问题。成功完成了小鼠与猪的皮肤缺损实验（图2、图3）。但是目前还没有一种生物印花方法可以完全复制天然皮肤的形态、生化和生理特性。未来的皮肤结构应该促进毛囊的适当发育和调节，色素沉积和表皮的形成和成熟。
▲图二.i:扫描伤口等
▲图三.
当前挑战
在生物墨水这块，用现有的生物材料制造具有所需功能和生物力学特性的组织结构仍然是一个挑战。虽然可以用合成材料和天然材料(如ECM衍生的水凝胶)的混合构建，但是一个主要的限制是需要通过生物印刷技术沉积这些材料，这些技术通常依赖于熔融挤压、具有纯粹稀释性的材料或选择性交联方法。
另一个限制是，这些材料还必须与细胞成分建立生理、生化和机械相互作用。尽管细胞外基质衍生的水凝胶具有生物相容性，但其较弱的机械性能限制了它们对组织物理特性的贡献。而且脚手架的降解时间与主体改建结构的时间相称要考虑其中。
细胞方面我们面对的挑战是在移植后产生足够数量的不会引起免疫反应的有再生能力的细胞。虽说可以克服扩展原代细胞类型的一些限制，但是它们在体外多轮扩增后经历衰老的倾向，同时潜在的致瘤性仍然是一个很大的风险。
在工程组织制造中的一个主要障碍是复制跨越动脉和静脉直至最小毛细血管的天然综合血管网络结构的复杂层次结构，打印微米级的功能性毛细管在技术上是具有挑战性的。功能性3D打印组织的制造将需要结合多尺度的血管、淋巴和/或神经网络。目前，大多数使用3D打印制造的移植组织缺乏这些组件。
当然生物打印也面临着规章制度、成本效益、标准化等方面的挑战。另外就一些问题提出了潜在解决策略。
目前解决打印组织血管化的几种方案
总之， 生物打印应用于临床需要具有在微观和宏观尺度上与天然器官相似的生物力学特性，并且具有跨越动脉、静脉和毛细血管的完整血管网络。虽然生物打印的软骨、骨和皮肤结构部分符合这些标准，3D打印组织结构的规模和功能也在不断改善，但对于生理要求更高的更复杂组织的生物打印来说，仍然存在重大挑战。在临床相关生物打印组织和器官的多尺度和多组分制造方面的进展将需要纳入原代细胞和干细胞群体的分离和扩增、“智能”生物材料的开发以及互补生物打印技术的集成方面的进展。
论文链接：1、/articles/s41551-019-0471-72、感谢ELF团队的相关支持
