来源：医麦客新闻

目前，全球每年有数千万的人因病体组织损伤或丧失而寻求恢复和重建，如果我们可以通过某种技术制造出精确匹配患者组织结构的生物替代品，这种需求就变得像机器人替换零件一样简单！这并非异想天开，生物3D打印技术的发展正在让这种科幻般的想象逐步迈向现实。

▲器官的应用领域，图源： DOI：10.1002/advs.202101394

近年来，生物3D打印技术迎来了广泛应用和深入研究，科学是无穷复杂的，但研究人员可以通过其独特的理解和探索，为人类步入未来医疗打下一份基础。近日，牛津大学一篇发表在Nature  Communications 的文章中展示了一种利用3D打印人类干细胞iPSC制造简化大脑皮层的技术，结果显示该技术所打印的组织植入小鼠脑切片后能与宿主组织完美整合，这表明研究人员在控制人类iPSC的分化和排列以形成大脑皮层的基本功能单元方面取得了实质性进展，并有望用于治疗脑损伤，打开了创建针对脑损伤的个性化植入治疗的大门。

▲实验设计，图源：DOI：10.1038/s41467-023-41356-w

设计具有不同细胞类型和结构的人体组织是具有挑战性的，大脑尤甚。大脑皮层由组织成垂直列的层特异性神经元组成，不仅具有六层结构，还有不同层之间神经回路的皮层内连接，通过复杂的神经回路提供更高的认知。

▲ 生成特异性神经细胞，图源：  DOI：10.1038/s41467-023-41356-w

研究人员首先将hiPSCs分为神经祖细胞（NPs）的两种亚型，上层和深层神经祖细胞（UNP和DNP），然后将这些细胞悬浮在溶液中，生成两种“生物墨水”。接着使用3D液滴打印技术将这些层特异性NP打印产生结构明确且无支架的软组织，即具有两层组织的大脑皮质组织，可在体外保持层状结构，表现出层特异性生物标志物表达并形成结构上整合的过程网络，研究人员在3D打印一周多后的体外培养过程中观察了神经元的迁移和成熟。最后将打印的皮质组织植入离体小鼠脑外植体的病变中时，植入物与宿主在组织形成结构连接并保持其钙离子活性，即在边界上发生实质性的结构整合，表现出与宿主组织的结构和功能一体化，这一点可以通过突起的投射和神经元的迁移来证明。

未来，研究人员的目标是在更长的植入后孵化时间后进行植入，以获得更先进的修复。研究人员还打算进一步完善液滴打印技术，以创建复杂的多层大脑皮层组织，更逼真地模仿人脑的结构。除了修复脑损伤的潜力外，这些工程组织还可用于药物评估，大脑发育研究，并提高我们对认知基础的理解。

干细胞3D打印的想象力

生物材料3D打印因具有个性化、精准化生物医学应用，越来越受到重视。生物材料3D打印研究已经在医疗与手术设计模型、手术导板、体外医疗器械，及非降解永久植入物等方面取得重要进展，并已经开展临床应用。生物材料科学领域的突破为生物3D打印提供了丰富的"墨水"选择，不仅能够满足复杂的生物打印需求，还能够携带并逐步释放生长因子和药物，助力恢复过程。同时，随着干细胞疗法和基因工程技术等领域的进展，我们对生物3D打印的认知和应用也将得到更深层次的拓展。

▲ 广义生物3D打印的发展阶段

2022年12月，清华大学马少华副教授团队首次研发出“高通量干细胞微球原位3D打印机”， 在国际上率先实现了无接触式干细胞微球原位打印移植，并提出“高密度干细胞微球间隙式移植技术”，可提升在有限干细胞数量条件下的移植面积，大幅提升了干细胞移植留存率，在重度骨骼肌创伤和毛囊再生方面显示出良好的修复效果，并有望应用于大面积皮肤创伤和软器官损伤修复。

▲ 图源：DOI：10.1002/adhm.201700298

2023年6月，来自美国加州大学的研究者们生物打印技术生成肿瘤类器官，并使用高速活细胞干涉测量和基于机器学习的定量来筛选药物。这种方法允许表征治疗反应，并捕获临床观察到的治疗耐药性的短暂变化和样本内异质性。

2023年7月，清华大学王秀梅教授团队利用生物3D打印技术，把神经干细胞(NSCs)打印成神经样纤维，完成了出色的功能重建，可以改善生态微环境从而促进大段脊髓损伤再生，揭示了植入后活性结构的演变过程，为脊髓损伤的临床治疗提供了新思路。

2023年8月，滑铁卢大学的研究小组实现了复杂肿瘤模型的3D打印，该模型不仅反映了肿瘤的复杂性，而且还模拟了肿瘤周围的环境。一个复杂癌症的活的三维模型可以用来测试不同的治疗模式，这为研究癌细胞的行为提供了具有高空间和时间分辨率的优秀工具。

2023年9月，中国科学院广州生物医药与健康研究院科研团队在猪体内成功培育人类肾脏长达28天，这也是世界范围内首次报告人源化功能器官异种体内培育案例。

▲ 图源： DOI：10.1002/advs.202101394

2023年10月9日，Carcinotech和 3D 生物打印公司CELLINK宣布合作打造利用3D 生物打印制造肿瘤模型，并推进其商业化应用。这些模型能够大幅提高治疗准确性并加快药物开发流程，降低药物开发成本。

现有的类器官往往是指受组织限制的成体干细胞、诱导多功能干细胞或肿瘤细胞组成，但血管化、免疫化、系统化三大难题是既往构建方式难以突破的。通过生物3D打印技术，可以实现类器官的手工构建替代，从自动化程度和仿生程度全方位提升类器官质量，已经逐渐称为构建类器官的新一代方法。生物3D打印为类器官的构建带来了全自动化的高通量生产、高稳定性和可重复性的批量模型、复杂可控的类器官结构、高黏度仿生材料的稳定精准打印等诸多优势，未来将加速精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域的发展。充分发挥干细胞3D打印的优势，为未来医疗的发展提供更多想象空间。

▲ 图源： DOI：10.1002/advs.202101394