3D生物打印让我们离人造器官越来越近

发布日期：2020-07-31 阅读次数：382 来源：中国医药报

摘要：

3D打印又名增材制造，是基于计算机辅助（CAD/CAM）、断层扫描（CT）或核磁（MRI）技术形成数据，然后通过分层加工、逐层叠加方法来构建三维架构的技术。3D打印具有可个性化定制、精度高等特点，在构建复杂微观结构方面具有显著优势，近年来在医学领域广泛应用。

实现器官再生

3D打印技术目前较多应用于人体硬组织打印，如组织模型、植入式医疗器械等，该技术已经比较成熟。在组织模型方面，有研究基于超声数据进行3D打印，成功制作出左心耳模型，辅助左心耳封堵手术前评估，可直观展示左心耳结构、直径等因素如何影响封堵器释放，优化手术操作；还有研究通过3D打印技术打印出患者个性化定制二尖瓣环模型，可更好地对患者二尖瓣环几何构造、大小及形状进行术前评估。植入式医疗器械的3D打印研究也在不断发展，如北京阿迈特医疗器械科技有限公司利用3D打印技术制造的生物可降解冠状动脉药物洗脱支架产品，目前已在我国获批开展境内临床试验研究。

除了应用于硬组织领域之外，人体软组织3D打印也是当下研究热点，如打印功能血管网络、人工心脏、人工皮肤等。2016年，四川蓝光英诺公司利用3D打印技术打印出生物性人工血管，并成功植入恒河猴体内，极大地推动了我国3D打印器官在器官移植方面的应用。2019年，Science杂志封面文章报道了3D打印人体器官中错综交缠的血管网络，3D打印已可以构建具有模拟肺泡的，可以运输空气、淋巴液等物质的管道，预期可帮助组织工程领域学者更好地理解3D打印器官，促进人造器官研究的发展。2019年4月，以色列特拉维夫大学研究人员宣布，他们利用患者自身细胞和生物材料成功设计和打印出充满细胞、血管并有心室和心房的完整心脏，在全球尚属首例。

与打印硬组织主要采用的普通3D打印技术不同，软组织3D打印需要依赖于更加复杂的3D生物打印技术。

3D生物打印技术及材料

3D生物打印是基于3D打印技术发展起来的，具有重要的研究意义及广阔的应用前景。通俗来讲，3D生物打印是通过3D打印技术，将含有活细胞的生物相容性材料打印成三维功能化的活组织。在再生医学领域，3D生物打印具有独特优势。

3D生物打印的关键因素包括打印方法、生物相容性材料和细胞。

三类打印方法各具特点

3D生物打印的技术条件相对苛刻，且影响因素较多，主要打印技术分为三类：喷墨生物打印、微挤出生物打印和激光辅助生物打印。

喷墨生物打印利用电加热产生空气脉冲，或者通过压电、超声等方法产生脉冲，然后在喷嘴处形成液滴。该方法的优点是速度快、费用低、适用范围广泛、细胞和材料浓度可调，但存在必须采用液体材料、喷嘴易堵塞等缺点。喷墨打印技术在人体功能结构再生方面具有非常大的潜力，目前主要用于皮肤和软骨原位再生。

微挤出生物打印是一种简单通用的方法，通过机械力的挤压作用，能够使样品池中的材料被连续挤出，然后通过在X、Y、Z轴方向控制，获得三维空间结构。该方法适用的材料黏度范围广泛，高黏度材料通常用于支撑结构，低黏度材料常被用来提供细胞外环境以维护细胞活性。材料特性方面，比较有代表性的材料包括温敏性材料和剪切稀释材料，温敏性材料在室温下呈流动状态，能够与其他材料共同挤出，在温度接近体温时交联固化；剪切稀释材料的黏度随剪切率增大而减小，这一特性恰好满足挤出工艺。微挤出生物打印技术最主要的优点是能够沉积高的细胞密度，有利于满足组织工程需要，缺点是细胞成活率低。该技术虽然打印高分辨复杂结构所用时间较长，但能够打印的产品类型较多。目前，该技术已被用来制造多种组织和模型，包括主动脉瓣膜、分支血管树、体外药物代谢和肿瘤模型等。

激光辅助生物打印的原理可以简单概括为，激光脉冲作用于能量吸收层上产生高压气泡，高压气泡将含有细胞的打印材料推动到承接基体上，从而构建三维结构。该技术的优点为分辨率高、细胞沉积密度高，但对交联速度要求高且费用高，目前应用较少。

常见材料性能不同

相比于普通3D打印，3D生物打印技术要求材料具有生物相容性，且能够提供目标组织的功能性。目前最常用的材料分为两大类：天然高分子材料和合成高分子材料（见表）。

干细胞是理想细胞材料

用于3D生物打印的细胞，需要尽量接近人体生理状态，能够保持机体功能，并且具有一定的增殖分化能力。干细胞具有多种分化能力，有再生组织与器官的潜能，是最适合3D生物打印的一类细胞。目前，在3D生物打印领域应用已经比较成熟的细胞主要是间充质干细胞，如骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞等。此外，诱导多功能干细胞（iPSC）也适用于3D生物打印。

积极引导产业发展很关键

3D生物打印技术已越来越多地融入医疗领域，特别是医疗器械领域，但由于该技术与硬组织3D打印技术差异较大，目前的监管法规和手段难以满足对其进行科学监管的需求。

目前，各个国家和地区的医疗器械监管部门已开始积极针对3D打印技术制定相关政策和标准。如2017年12月，美国FDA发布《3D打印医疗产品技术指导意见》，对应用3D打印技术制造医疗器械应该考虑的风险点和要求进行了详细说明；欧盟医疗器械法规（MDR）中虽然没有针对3D打印医疗器械的规定，但有专门章节描述应用3D打印技术的产品，即个性化定制医疗器械。我国一直重视3D打印技术在医疗领域的应用，近几年，《定制式医疗器械监督管理规定（试行）》《无源植入性骨、关节及口腔硬组织个性化增材制造医疗器械注册技术审查指导原则》《增材制造标准领航行动计划（2020-2022年）》等文件陆续发布。

但从各个国家和地区发布的医疗产品3D打印相关政策和指导文件可以看出，这些文件更多是集中于硬组织3D打印，很少专门针对软组织3D生物打印。因此，需进一步关注软组织3D生物打印技术，制定科学监管要求，引导3D生物打印技术领域科学、健康、创新发展。

（作者单位：国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心）