生物3D打印的原理与实验方案（一）：生物墨水及新兴研究方向

3D生物打印是增材制造的一种形式，通过使用生物兼容性墨水或在其中添加细胞，使该墨水能够应用于三维组织工程……或许我们已经看过多次这样的生物3D打印定义。但细究打印过程的细节、步骤、原理，乃至延申到打印前的细胞培养和打印后的组织培养，或许都只有一个模糊的概念。因而，Jeremy M. Crook于2020年出版了3D Bioprinting: Principles and Protocols一书，旨在将生物3D打印前后相关的操作标准化，使科研工作者能够更为方便地开展工作。书的内容正如书名，分为Principle与Protocol两大块，前者介绍相关概念，以理论内容为主；后者则提供实验步骤，以器官作为章节分类介绍。

书的内容以生物3D打印的历史作为起始。介绍了两类生物3D打印公司：以设备和应用起家、以耗材即生物墨水的开发起家。前者以瑞士regenHU作为代表，也包括德国Envision Tec（现为美国Desktop Metal全资子公司）、日本Cyfuse等；后者则以瑞典Cellink为代表（由公司名称也能看出），包括美国Allevi、Se3D。他们能够在领域发展初期，就看到生物墨水与传统材料的区别，并开发合适的方法予以转变。在书中，相对于传统材料而言，生物墨水有一下几个特点：

1、 以可控的方式被挤出，形成柱状或能维持形状的液滴等。

2、 在应力作用下能够因剪切稀变特性而发生流动，但在没有负载时则保持形状。

3、 可以通过交联或自组装避免被溶解，同时可以在多层结构或堆叠时维持形状。

图1：生物3D打印中常见的两种方式——挤出式与喷墨式

针对这些特点，需要通过以下方法使原有的传统材料转变为生物墨水：

1、 加入增稠剂以提高墨水的黏度，并赋予剪切稀变的特性。2、 控制温度：某些材料在一定范围内复合生物墨水的性质3、 使用支撑材料辅助

另外，作者也提到，使用生物3D打印的一个较为现实且迫切的目的，是绕开传统2D组织培养、异体组织移植、器官捐献等种种带来的限制。除了使用细胞进行常规生物3D打印解决上述几个问题外，作者也提到多个正在引起关注的研究方向：

1、4D生物打印：打印后的组织仍具有一定的活动性，可随时间或在刺激物的促进下改变性质2、仿生机器人（Soft Robotics）：打印肌细胞和导电材料制作人工肌肉模型，在给予适当刺激后，可使细胞发生收缩，成为生化机器人。3、器官芯片（Organ-on-a-Chip）：在体外进行器官小型化，打印出模拟器官，以研究其独立或与其他器官之间的功能、活动、反应或机理，如药理学、毒理学研究。4、血管组织（Vascularized Tissues）：弥补传统器官培养中缺乏血管网络，难以真实模拟体外器官的缺陷。

图2：得益于生物3D打印，科学家可以在体外构建更贴近真实情况的复杂血管网

同时，生物3D打印也较为适合在GLP（good laboratory practice，药物非临床研究质量管理规范，在生物3D打印领域可译为良好实验质量管理规范）甚至GMP（Good Manufacturing Practice，药物生产质量管理规范，在生物3D打印领域可译为良好生产质量管理规范）规范下进行标准化，从而可控地完成组织构造。

参考文献：

[1] Estermann M., Bisig C., Septiadi D., Petri-Fink A., Rothen-Rutishauser B. (2020) Bioprinting for Human Respiratory and Gastrointestinal In Vitro Models. In: Crook J. (eds) 3D Bioprinting. Methods in Molecular Biology, vol 2140. Humana, New York, NY.https://doi.org/10.1007/978-1-0716-0520-2_13.
[2] Luo Y, Elumalai A, Humayun A, et al. Understanding Cancer Cell Behavior Through 3D Printed Bone Microenvironments[M] 3D Bioprinting in Medicine, 2019, 163-189.

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