生物3D打印技術是一種利用三維打印的方法來構建具有生物活性的組織或器官的技術。通過3D生物打印機，以生物墨水為“建筑材料”，逐層堆疊，構建出模擬人體組織的細胞支架。這種技術的核心在于將活細胞接種入支架，使其在體外生長，最終形成功能性組織。

3D生物打印的概念最早于2003年在美國提出專利申請，并于2006年正式獲得授權，標志著這項技術正式進入人們的視野。

（圖片來源：https://www.sigmaaldrich.com/HK/zh/technical-documents/technical-article/cell-culture-and-cell-culture-analysis/3d-cell-culture/3d-bioprinting-bioinks?srsltid=AfmBOoo0Iav8AAIKVYCMnsYnbhkQxubdwYY-mx2oJPRJR8aqVb9n8EFH）

生物3D打印技術的原理

● 生物墨水：生物墨水是生物3D打印的核心。它包含活細胞、生長因子和生物聚合物。活細胞是構建組織的基本單位，生長因子能刺激細胞生長，而生物聚合物則為細胞提供一個三維的支架，幫助細胞附著和生長。

● 層狀堆積：3D生物打印機通過逐層堆疊生物墨水，就像蓋房子一樣，一層一層地搭建起復雜的生物結構。每一層都按照預先設計的3D模型進行精確堆疊。

● 細胞生長：打印完成后，細胞在生物墨水中繼續生長和分化，形成具有特定功能的組織或器官。

（圖片來源：https://www.mdpi.com/1422-0067/23/15/8589）

常見的生物打印平臺

● 噴墨式生物打印

(圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/nkjet-bioprinting-process_fig2_365090320)

這種技術通過精確控制液滴的形成和沉積來實現生物墨水的3D構造。液滴的生成通常依賴于熱效應或者壓電元件施加的壓力變化。當一個脈沖作用于噴嘴時，它會導致內部壓力迅速增加，從而擠出一個微小的液滴。這種方法適用于對溫度敏感性較低且具有適當粘度的生物墨水。

● 擠出式生物打印

（圖片來源：https://www.researchgate.net/publication/370803300_3D_bioprinting_in_the_era_of_4th_industrial_revolution_-_insights_advanced_applications_and_future_prospects）

生物墨水被以細絲的形式從一個或多個噴嘴擠出，按照預定路徑逐層堆積成三維結構。擠出過程可以通過氣動壓力、活塞推進或者螺桿驅動等方式實現。擠出式打印適合處理較稠的生物墨水，而且可以更好地保持細胞活力，因為細胞受到的剪切力相對較小。

● 激光輔助生物打印

激光輔助生物打印（LAB）是一種高精度細胞打印技術，通過將脈沖激光聚焦于一個涂有金屬吸收層和生物墨水的透明色帶上來工作。當激光脈沖照射到吸收層時，產生的熱量會在生物墨水層中迅速形成空化氣泡，氣泡的膨脹和塌陷產生射流，推動微小的生物墨水滴精確地轉移到對面的接收基板（圖片中顯示的是小鼠顱骨上的骨缺損）上，如組織支架或活體內的缺陷部位。這種方法能夠實現細胞的高存活率和圖案化的精細打印，特別適合用于需要高分辨率和高細胞存活率的應用場景。

未來展望

生物3D打印雖然前景廣闊，但仍面臨諸多挑戰，如生物墨水的開發、大尺寸組織的血管化以及免疫排斥等問題。

盡管如此，隨著技術的不斷進步，我們有理由相信，生物3D打印將在不久的將來克服這些困難，為再生醫學和個性化醫療帶來革命性的變化，最終為人類健康做出巨大貢獻。

參考文獻：

【1】Salg, G.A.; Blaeser, A.; Gerhardus, J.S.; Hackert, T.; Kenngott, H.G. Vascularization in Bioartificial Parenchymal Tissue: Bioink and Bioprinting Strategies. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 8589.

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