3D打?。═hree-Dimensional Printing, 3DP）又名增材制造（Additive Manufacturing, AM），由Charles W. Hull首次提出，是基于計算機輔助（CAD/CAM）、斷層掃描（CT）或核磁（MRI）形成數據，然后通過分層加工、逐層疊加方法來構建三維架構的技術^[1]。3D打印具有個性化定制、精度高等特點，在構建復雜微觀結構方面具有顯著優勢，因而近年來在醫學領域開始廣泛應用，持續推動著醫療領域的重大創新。

一、3D打印技術

3D打印技術目前較多應用于人體硬組織的打印，如組織模型、導入器械等，該技術已經比較成熟。Liu課題組基于超聲數據進行3D打印，制作左心耳模型，輔助左心耳封堵手術前評估，可直觀展示封堵器釋放的影響因素（左心耳個性化結構、直徑等），優化手術操作。Owais等通過3D打印技術打印出患者個體化的二尖瓣環，可更好地評估術前二尖瓣環幾何構造、大小及形狀。^[2]

3D打印可植入器械的研究也在不斷發展，例如北京阿邁特醫療器械科技有限公司利用3D打印技術制造的生物可降解冠狀動脈藥物洗脫支架產品，目前已在我國獲批開展境內臨床試驗研究。

圖1：3D打印的功能化血管網絡

除了在硬組織領域應用之外，軟組織的3D打印如打印功能血管網絡、人工心臟、人工皮膚等，也是當下研究熱點。

（1）2019年，science封面文章報道了通過3D打印技術制作的人造器官中的錯綜交纏的血管網絡，構建具有模擬肺泡的、功能性的運輸空氣、淋巴液等物質的管道（如圖1），預期幫助組織工程領域的科學家更好地理解3D打印器官，促進“人造器官”研究的發展^[3]。

圖2：首例3D打印完整心臟

（2）以色列特拉維夫大學研究人員利用患者自身細胞和生物材料，首次成功設計和打印出充滿細胞、血管并有心室和心房的完整心臟（如圖2）^[4]。

（3）四川藍光英諾公司利用3D打印技術打印了生物型人工血管，并植入恒河猴體內，推動了我國打印器官用于人類移植方面的發展^[5]。

然而，軟組織的3D打印需要依賴于3D生物打印技術，目前仍面臨眾多挑戰。

二、3D生物打印技術

3D生物打印（3D Bioprinting）是基于3D打印技術發展起來的，具有重要的研究意義及應用前景。通俗來講，其通過3D打印技術，將含有活細胞的生物相容性材料打印成為三維功能化的活組織。所以，3D生物打印被用于再生醫學領域，將發揮特殊優勢。

3D生物打印的關鍵因素包括打印方法、生物相容性材料、細胞。與普通打印相比，3D生物打印涉及更多額外的復雜性，如材料的選擇、細胞類型、生長因子，以及與活細胞敏感性和組織結構相關的技術挑戰。

（一）3D生物打印方法

普通3D打印方法主要有多種，包括：熔融沉積打印(fused deposition modeling, FDM)、電子束熔化成形（electron beam melting，EBM）、光固化立體印刷(stereo lithography appearance, SLA)、三維噴?。╰hree dimension inkjet printing， 3D IP）、選擇性激光燒結(selective laser melting, SLM)等^[6]。

考慮到用于3D生物打印的苛刻條件和關鍵影響因素，例如表面分辨率、細胞活力和用于印刷的生物材料，能夠用于生物打印的技術主要分為三類：噴墨生物打?。╥nkjet bioprinting）、微擠出生物打印（microextrusion bioprinting）和激光輔助生物打?。╨aser-assisted bioprinter）（如圖3）^[7]。這些方法在3D生物打印中的不同特點列于下表（見表1）。

圖3：3D生物打印方法示意圖 a）噴墨生物打??；b）微擠出生物打印（通過氣動或機械力進行連續擠出）；c）激光輔助生物打?。ㄍㄟ^可吸收激光的基底材料產生脈沖壓力）

表1：三種3D生物打印方法對比

1.噴墨生物打印

噴墨生物打印采用電加熱產生空氣脈沖，或者通過壓電、超聲等方法產生脈沖，然后在噴嘴處形成液滴，該方法優點是速度快、費用低、適用范圍廣泛、細胞和材料濃度可調（濃度梯度），但具有必須采用液體材料、噴嘴阻塞等缺點。目前噴墨生物打印方法一般應用于功能皮膚和軟骨的原位再生，并且保持高細胞活性和功能性。噴墨打印技術對于功能結構再生具有非常大的潛力。

2.微擠出生物打印

微擠出生物打印是一種簡單通用的方法，通過機械力的擠壓作用，能夠使樣品池中的材料被連續擠出，然后通過在X、Y、Z軸方向的控制，獲得三維空間結構。從材料粘度方面，該方法適用的材料對粘度范圍廣泛（見表1），高粘度材料通常提供結構支撐作用，低粘度材料常被用作為維護細胞活性而提供細胞外環境。從材料特性方面，比較有代表性的材料包括溫敏性材料和剪切稀釋材料。例如有些材料在室溫下呈流動狀態，能夠與其他材料共同擠出，然后在體溫時 交聯固化；剪切稀釋材料的粘度隨剪切率增大而減小，這一固有特性恰好滿足擠出工藝。

微擠出的最主要優點是能夠沉積高的細胞密度，有利于滿足組織工程需要，缺點是細胞成活率低。微擠出生物打印已經被用來制造多種組織，包括主動脈瓣膜^[8]、分支血管樹^[9]、體外藥物代謝^[10]和腫瘤模型^[11]等。雖然打印高分辨復雜結構所用時間較長，但是目前該打印策略已經能夠打印的產品比較廣泛。

3.激光輔助生物打印

激光輔助生物打印的原理可以簡單概括為，激光脈沖作用于能量吸收層上，然后產生高壓氣泡，推動含有細胞的打印材料到承接基體上，構建三維結構。優點為高分辨率、能夠沉積、高細胞密度。由于該方法要求快速交聯、花費高，目前應用較少。

（二）材料

相比于普通3D打印，3D生物打印技術要求材料具有生物相容性，且能夠提供目標組織的功能性，例如機械性能。目前最常用材料分為兩大類：天然高分子和合成高分子。3D生物打印材料對比見表2，用于生物打印的理想材料性能要求見表3。

表2：3D生物打印材料對比

表3：用于生物打印的理想材料性能要求

（三）細胞

用于打印的細胞，需要盡量接近體內生理狀態、保持體內功能，并且具有一定的增殖分化能力。目前用于3D打印已經比較成熟的細胞主要是間充質干細胞，例如骨髓間充質干細胞、脂肪間充質干細胞等。干細胞具有多種分化能力、再生組織與器官的潛能。誘導多功能干細胞（iPSC）也適合3D生物打印。

三、3D醫療器械監管建議

3D生物打印技術已愈來愈多地融入到醫療領域，特別是醫療器械領域，鑒于該技術為醫療領域發展帶來革命性變化以及同硬組織3D打印技術的差異性，目前的監管法規和手段已不足以對其進行科學監管。其他國家的監管部門已開始積極針對3D打印技術提出指導意見，但更多的是集中于硬組織的3D打印，而不是3D生物打印領域，例如美國FDA發布的增材制造指南^[12]。因此，針對軟組織的3D生物打印技術，尚需進一步關注，制定科學監管要求，引導3D生物打印技術領域的科學、健康、創新發展。

參考文獻：

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[2].周燕翔，胡偉，郭偉強。基于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的應用進展。臨床超聲醫學雜志 2018 年8月第20卷第8期。

[3].Bagrat Grigoryan1, Jordan S. Miller et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science 364, 458–464 (2019).

[4].https://mp.weixin.qq.com/s/as9MG1j-nxqYXlX06_wAng.

[5].https://www.guancha.cn/YiLiao/2016_12_16_384638.shtml.

[6].甄珍，劉斌。3D打印鈦金屬骨科植入物應用現狀。中國生物醫學工程學報。38卷2期（2019年4月）。

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[11].Xu, F. et al. A three-dimensional in vitro ovarian cancer coculture model using a high-throughput cell patterning platform. Biotechnol. J. 6, 204–212 (2011).

[12].Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices.