生物3D打印技术分析：我们离起死回生还差多远？
网站及其他在线资源：
（1）3D Printing News
（2）The Cronin Group
创新创业企业：MakerBot、3Dsystems延伸阅读书籍：《创客：3D打印基础指南》* 名片信息来源于《颠覆性医疗革命》采编：周俊、刘文晓 排版：谢鸣洲
目前，许多疾病都会导致患者的脏器衰竭，但可移植的器官源却异常稀缺，世界上等待器官捐献的患者数以百万计。仅仅在中国，肾脏移植的需求量就达到了十万的数量级，肝脏移植的市场需求量更是达到了百万级，其它器官的需求也较大，但是真正获得所需器官移植的患者少之又少。
当前，器官移植的主要对策是从一个生命体转向另一个生命体，很多情况下往往因免疫排异反应造成不可用；另一种方法是使用动物脏器，但是往往涉及到伦理问题。生物技术行业敏锐地意识到生物3D打印技术的潜力，快速增长的3D打印机有望在未来全面解决器官移植供求严重失衡的问题。
在不久的将来，也许在患者床边就能打印出仿生耳或者是人体的简单器官，无需等待，即刻修复自我。那些在漫长地等候着器官移植的患者名单将彻底消除。
生物3D打印机是一种基于电脑编程技术的，精确控制生物材料、细胞以及其他生物因子在3D骨架上的分布、相互作用以及分化等生理过程的生物组织打印技术，最终创造出在功能上可以替代生物器官与组织的具备生物活性的有机体。
目前，生物3D打印的应用平台主要有镭射（Laser-based），喷绘 （Inkjet-based）和挤制 （Extrusion-based）这三种平台。通过整合医学、工程学、电子信息学、生物学等多个学科的相关知识，生物3D打印技术已能打印出可完全代替人体器官或组织的可移植的生物制品。
组织打印过程
（1）细胞
这是生物3D打印的前提条件，必需在保证细胞生物活性的同时，精准地从打印机喷头中滴出包裹细胞的液滴。细胞的分布密度和位置对于生物3D打印机成功打印生物组织至关重要，另外还要保证无菌环境。
（2）支架
支架模拟了目标器官的骨架，细胞通过依附支架而准确分布并最终构成三维立体的生物器官或组织。该支架必须是无毒的、可生物降解的、不引起并发症的且适宜细胞增殖的生物制品。支架的密度、细胞排布机理等问题都亟待解决。
（3）精准诱导条件
该条件的确定是打印器官的最大难点。众所周知，组织器官都由多种功能细胞构成且一直处于动态变化中。将一些细胞固定到支架上构成器官没有生物意义，成熟细胞不能重新编程获得新功能。因而目前的生物3D打印机多构建干细胞支架。随之而来的问题是干细胞分化的诱导问题。该问题复杂、涉及面广，细胞受临近干扰、细胞环境、化学信号、物理信号等多种因素的影响。
成功将生物3D打印技术应用到医疗行业必须克服以下几个技术难题：
（1）细胞技术
不同的组织器官由多种不同的且功能特异的细胞构成。该细胞的体外分离培养至关重要，必需保证所有组成细胞都能在生物3D打印机中维持自身良好的生物活性。细胞分离、培养以及增殖等基础技术的提高有助于生物3D打印技术的发展。
（2）生物材料人体不同的组织器官有其独特的物理学特性。例如皮肤柔软，而骨组织坚硬。因此，对于不同组织的3D打印需要选择与组织特性相对应的生物材料，并且这些材料不能干扰所选择细胞的生物活性和功能。同时所选材料必须能通过生物3D打印系统进行操控。
（3）血管系统大部分组织器官都通过血管系统提供营养物质并排除废弃物，只有足够的新鲜血液才能使器官保持良好的生命活力。然而当前的生物3D打印技术还不能打印出与哺乳动物血管系统功能相当的替代品，也没有实现血管系统融入3D打印的机体中。
（4）诱导技术人体器官是一个动态平衡的有机生物体，它不断地发生新老细胞的替换，机体却始终维持相同的外形与功能。那么用于3D打印器官的干细胞，在细胞喷洒和分化上需要特定的诱导条件，如何设定该条件是急需解决的问题。
（5）原位生物3D打印技术该技术是一种基于三维扫描技术研发的在患者伤口原位处直接打印细胞的3D打印技术。该技术的核心是精确地三维扫描技术、编程技术以及防污染技术。如何能快速精确地扫描患者伤口同时不造成伤口污染是目前难以解决的问题。
（1）打印生物有机物标准喷墨打印机的液滴大小基本与人类细胞大小相当，利用打印机，使用生物元素分子作为打印使用的油墨，人们可以快速打印出一系列的生物有机物。
（2）打印血管系统随着医疗影像云平台、生物油墨技术以及水性生物纸技术的进一步的革新以及“生物砖”技术的发明，人们利用生物3D打印技术实现了血管系统的打印。该系统主要含三种成分，胶原蛋白构成的支架、心肌细胞和内皮细胞。无论是器官还是组织都离不开血管系统，该成果极大地促进了器官打印时代的到来。
（3）打印可再生骨架与骨骼
打印人类骨骼的生物3D打印机为骨质坏损患者带来了希望。骨骼打印机主要含有包裹组织细胞的生物墨水以及由纤维蛋白和胶原蛋白水凝胶组成的支持支架。该打印机还可以打印出新的生物材料，例如可生物降解的聚合物、人体骨骼、牙齿，并应用于牙齿和骨的修复中。
（4）打印人类软骨3D打印机成功打印人类软骨。据统计，8000-10000个孩子中会出现一名耳朵畸形的儿童。小耳畸形是一种先天性畸形病，其耳朵没有完全发育。生物3D打印技术可以为患该疾病的儿童量身定做耳朵。
（5）打印人工肾脏迷你肾脏研发成功。本质上，它是一种透析设备，可以模拟肾脏的功能，可排出人体中的代谢废物、水和无机盐。该脏器仅易拉罐大小，由外壳、微芯片控制的过滤器，以及活体肾脏细胞组成。该迷你肾脏含有15个芯片，控制物质过滤进程，肾脏细胞可直接利用患者体内的营养物质。
（6） 打印皮肤组织3D打印机未来实现皮肤修复。该疗法利用原位生物3D打印技术在病人伤口处直接打印皮肤组织以达到完美修复的目的。利用三维成像技术扫描患者伤口，并形成3D空间图像，利用设计程序，控制喷洒到伤口上的皮肤细胞、凝固剂以及胶原蛋白这三者的比例、密度以及位置等条件。
据industryarc的研究报告提示（2014），在全球医疗保健行业中，3D打印技术的市场价值为4.87亿美元。该市场预计年增长率将达到18.3%。
3D打印技术越来越受到全球医疗市场的倾慕。自2014年开始，欧美医疗行业越来越多地应用3D打印技术。欧美地区对该技术的投资也逐年增加，欧美生物3D打印市场处于高速增长期。欧美政府部门也看好该技术的发展。近年来，亚太地区对于该技术的投资也有显著的增长。
（1）缩短手术时间
生物3D打印技术可以打印出模拟人类真实组织和器官的替代品，医生手术前可以利用该替代品反复练习手术，选择更为准确的工具并不断排除各种突发情况，从而促进手术的成功，并缩短手术时间。
（2）再生医学的光明生物3D打印技术将开启新的医疗时代。器官移植无需等待，生物3D打印技术为病人提供新的专有的脏器以替换旧的病变的器官，从而使整个身体返老还童、治疗重大疾病。这一技术极大的助益于慢性器官衰竭患者的治疗，减少了排斥反应，并解决了供体器官短缺问题。协同纳米技术、基因工程技术，生物3D打印技术将无限延长生命寿命。
（3）整容行业的应用生物3D打印技术在整容产业有巨大的应用潜力。例如，对于皮肤烧伤损坏的病人可通过原位打印技术进行伤口修复；人们可以从网络上下载一个面部扫描图并把它打印到自己脸部以实现整容的目的；人们还可以将自己不同年轻时的照片存储下来，任何时候都可以将自己年轻的面孔打印下来，永葆青春不再是一个不可实现的美梦。
（4）生物3D打印技术将成为未来医疗行业的主流技术3D在人体器官方面的治疗和修复方面，如再生医学，移植手术，手术规划，将会占据重要的位置。可以打印带血管的组织，低成本的义肢，药物，量身定做的传感器，骨骼，心脏膜瓣，耳朵软骨，医疗器械，头盖骨，肿瘤模型，眼睛，合成皮肤，器官等。
（5）生物3D打印技术将改革药物开发临床途径。有了生物3D打印技术，研发药物的药效检测以及毒性检测不再需要实验动物，可以使用打印的器官或组织代替。该方法更为精确的检测药物的效力与影响，完全可以模拟药物在人体内部的情况，且减少了实验动物的使用，有利于动物保护。
（6）生物3D打印技术将推动新一轮的产业融合。未来，生物科学不可避免的将要与医学、工程学以及计算机科学相互融合，这将引起科学界新一轮质的飞跃，甚至产业革命。
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