()中國神話故事中哪吒為報父母養(yǎng)育之恩，割肉剔骨，魂飛魄散，幸得原始天尊與太乙真人為其塑蓮藕身，重獲新生。器官有損，神仙有白玉如意，老百姓有什么寶貝呢？近年來興盛的生物3D打印技術(shù)或許就能媲美神仙手中的玉如意。

1背景

目前，許多疾病都會導(dǎo)致患者的臟器衰竭，但可移植的器官源卻異常稀缺，世界上等待器官捐獻的患者數(shù)以百萬計。僅僅在中國，腎臟移植的需求量就達到了十萬的數(shù)量級，肝臟移植的市場需求量更是達到了百萬級，其它器官的需求也較大，但是真正獲得所需器官移植的患者少之又少。當(dāng)前，器官移植的主要對策是從一個生命體轉(zhuǎn)向另一個生命體，很多情況下往往因免疫排異反應(yīng)造成不可用；另一種方法是使用動物臟器，但是往往涉及到倫理問題。生物技術(shù)行業(yè)敏銳地意識到生物3D打印技術(shù)的潛力，快速增長的3D打印機有望在未來全面解決器官移植供求嚴重失衡的問題。在不久的將來，也許在患者床邊就能打印出仿生耳或者是人體的簡單器官，無需等待，即刻修復(fù)自我。那些在漫長地等候著器官移植的患者名單將徹底消除。

2概念

生物3D打印機是一種基于電腦編程技術(shù)的，精確控制生物材料、細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過程的生物組織打印技術(shù)，最終創(chuàng)造出在功能上可以替代生物器官與組織的具備生物活性的有機體。目前，生物3D打印的應(yīng)用平臺主要有鐳射(Laser-based)，噴繪(Inkjet-based)和擠制(Extrusion-based)這三種平臺。通過整合醫(yī)學(xué)、工程學(xué)、電子信息學(xué)、生物學(xué)等多個學(xué)科的相關(guān)知識，生物3D打印技術(shù)已能打印出可完全代替人體器官或組織的可移植的生物制品。

3行業(yè)最新進展

4技術(shù)條件

利用3D打印技術(shù)人工創(chuàng)造可正常工作的器官需要三個必要的條件：細胞(cell)、支架(scaffold)以及誘導(dǎo)條件(induction)。

(1)細胞

這是生物3D打印的前提條件，必需在保證細胞生物活性的同時，精準地從打印機噴頭中滴出包裹細胞的液滴。細胞的分布密度和位置對于生物3D打印機成功打印生物組織至關(guān)重要，另外還要保證無菌環(huán)境。

(2)支架

支架模擬了目標器官的骨架，細胞通過依附支架而準確分布并最終構(gòu)成三維立體的生物器官或組織。該支架必須是無毒的、可生物降解的、不引起并發(fā)癥的且適宜細胞增殖的生物制品。支架的密度、細胞排布機理等問題都亟待解決。

(3)精準誘導(dǎo)條件

該條件的確定是打印器官的最大難點。眾所周知，組織器官都由多種功能細胞構(gòu)成且一直處于動態(tài)變化中。將一些細胞固定到支架上構(gòu)成器官沒有生物意義，成熟細胞不能重新編程獲得新功能。因而目前的生物3D打印機多構(gòu)建干細胞支架。隨之而來的問題是干細胞分化的誘導(dǎo)問題。該問題復(fù)雜、涉及面廣，細胞受臨近干擾、細胞環(huán)境、化學(xué)信號、物理信號等多種因素的影響。

5技術(shù)難題

成功將生物3D打印技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療行業(yè)必須克服以下幾個技術(shù)難題：

(1)細胞技術(shù)

不同的組織器官由多種不同的且功能特異的細胞構(gòu)成。該細胞的體外分離培養(yǎng)至關(guān)重要，必需保證所有組成細胞都能在生物3D打印機中維持自身良好的生物活性。細胞分離、培養(yǎng)以及增殖等基礎(chǔ)技術(shù)的提高有助于生物3D打印技術(shù)的發(fā)展。

(2)生物材料

人體不同的組織器官有其獨特的物理學(xué)特性。例如皮膚柔軟，而骨組織堅硬。因此，對于不同組織的3D打印需要選擇與組織特性相對應(yīng)的生物材料，并且這些材料不能干擾所選擇細胞的生物活性和功能。同時所選材料必須能通過生物3D打印系統(tǒng)進行操控。

(3)血管系統(tǒng)

大部分組織器官都通過血管系統(tǒng)提供營養(yǎng)物質(zhì)并排除廢棄物，只有足夠的新鮮血液才能使器官保持良好的生命活力。然而當(dāng)前的生物3D打印技術(shù)還不能打印出與哺乳動物血管系統(tǒng)功能相當(dāng)?shù)奶娲罚矝]有實現(xiàn)血管系統(tǒng)融入3D打印的機體中。

(4)誘導(dǎo)技術(shù)

人體器官是一個動態(tài)平衡的有機生物體，它不斷地發(fā)生新老細胞的替換，機體卻始終維持相同的外形與功能。那么用于3D打印器官的干細胞，在細胞噴灑和分化上需要特定的誘導(dǎo)條件，如何設(shè)定該條件是急需解決的問題。

(5)原位生物

3D打印技術(shù)該技術(shù)是一種基于三維掃描技術(shù)研發(fā)的在患者傷口原位處直接打印細胞的3D打印技術(shù)。該技術(shù)的核心是精確地三維掃描技術(shù)、編程技術(shù)以及防污染技術(shù)。如何能快速精確地掃描患者傷口同時不造成傷口污染是目前難以解決的問題。

6 3D生物打印行業(yè)的產(chǎn)品

(1)打印生物有機物

標準噴墨打印機的液滴大小基本與人類細胞大小相當(dāng)，利用打印機，使用生物元素分子作為打印使用的油墨，人們可以快速打印出一系列的生物有機物。

(2)打印血管系統(tǒng)

隨著醫(yī)療影像云平臺、生物油墨技術(shù)以及水性生物紙技術(shù)的進一步的革新以及“生物磚”技術(shù)的發(fā)明，人們利用生物3D打印技術(shù)實現(xiàn)了血管系統(tǒng)的打印。該系統(tǒng)主要含三種成分，膠原蛋白構(gòu)成的支架、心肌細胞和內(nèi)皮細胞。無論是器官還是組織都離不開血管系統(tǒng)，該成果極大地促進了器官打印時代的到來。

(3)打印可再生骨架與骨骼

打印人類骨骼的生物3D打印機為骨質(zhì)壞損患者帶來了希望。骨骼打印機主要含有包裹組織細胞的生物墨水以及由纖維蛋白和膠原蛋白水凝膠組成的支持支架。該打印機還可以打印出新的生物材料，例如可生物降解的聚合物、人體骨骼、牙齒，并應(yīng)用于牙齒和骨的修復(fù)中。

(4)打印人類軟骨

3D打印機成功打印人類軟骨。據(jù)統(tǒng)計，8000-10000個孩子中會出現(xiàn)一名耳朵畸形的兒童。小耳畸形是一種先天性畸形病，其耳朵沒有完全發(fā)育。生物3D打印技術(shù)可以為患該疾病的兒童量身定做耳朵。

(5)打印人工腎臟

迷你腎臟研發(fā)成功。本質(zhì)上，它是一種透析設(shè)備，可以模擬腎臟的功能，可排出人體中的代謝廢物、水和無機鹽。該臟器僅易拉罐大小，由外殼、微芯片控制的過濾器，以及活體腎臟細胞組成。該迷你腎臟含有15個芯片，控制物質(zhì)過濾進程，腎臟細胞可直接利用患者體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)。

(6)打印皮膚組織

3D打印機未來實現(xiàn)皮膚修復(fù)。該療法利用原位生物3D打印技術(shù)在病人傷口處直接打印皮膚組織以達到完美修復(fù)的目的。利用三維成像技術(shù)掃描患者傷口，并形成3D空間圖像，利用設(shè)計程序，控制噴灑到傷口上的皮膚細胞、凝固劑以及膠原蛋白這三者的比例、密度以及位置等條件。

7市場價值

據(jù)industryarc的研究報告提示(2014)，在全球醫(yī)療保健行業(yè)中，3D打印技術(shù)的市場價值為4.87億美元。該市場預(yù)計年增長率將達到18.3%。

3D打印技術(shù)越來越受到全球醫(yī)療市場的傾慕。自2014年開始，歐美醫(yī)療行業(yè)越來越多地應(yīng)用3D打印技術(shù)。歐美地區(qū)對該技術(shù)的投資也逐年增加，歐美生物3D打印市場處于高速增長期。歐美政府部門也看好該技術(shù)的發(fā)展。近年來，亞太地區(qū)對于該技術(shù)的投資也有顯著的增長。

8發(fā)展前景

(1)縮短手術(shù)時間

生物3D打印技術(shù)可以打印出模擬人類真實組織和器官的替代品，醫(yī)生手術(shù)前可以利用該替代品反復(fù)練習(xí)手術(shù)，選擇更為準確的工具并不斷排除各種突發(fā)情況，從而促進手術(shù)的成功，并縮短手術(shù)時間。

(2)再生醫(yī)學(xué)的光明

生物3D打印技術(shù)將開啟新的醫(yī)療時代。器官移植無需等待，生物3D打印技術(shù)為病人提供新的專有的臟器以替換舊的病變的器官，從而使整個身體返老還童、治療重大疾病。這一技術(shù)極大的助益于慢性器官衰竭患者的治療，減少了排斥反應(yīng)，并解決了供體器官短缺問題。協(xié)同納米技術(shù)、基因工程技術(shù)，生物3D打印技術(shù)將無限延長生命壽命。

(3)整容行業(yè)的應(yīng)用

生物3D打印技術(shù)在整容產(chǎn)業(yè)有巨大的應(yīng)用潛力。例如，對于皮膚燒傷損壞的病人可通過原位打印技術(shù)進行傷口修復(fù)；人們可以從網(wǎng)絡(luò)上下載一個面部掃描圖并把它打印到自己臉部以實現(xiàn)整容的目的；人們還可以將自己不同年輕時的照片存儲下來，任何時候都可以將自己年輕的面孔打印下來，永葆青春不再是一個不可實現(xiàn)的美夢。

(4)生物3D打印技術(shù)將成為未來醫(yī)療行業(yè)的主流技術(shù)

3D在人體器官方面的治療和修復(fù)方面，如再生醫(yī)學(xué)，移植手術(shù)，手術(shù)規(guī)劃，將會占據(jù)重要的位置。可以打印帶血管的組織，低成本的義肢，藥物，量身定做的傳感器，骨骼，心臟膜瓣，耳朵軟骨，醫(yī)療器械，頭蓋骨，腫瘤模型，眼睛，合成皮膚，器官等。

(5)生物3D打印技術(shù)將改革藥物開發(fā)臨床途徑

有了生物3D打印技術(shù)，研發(fā)藥物的藥效檢測以及毒性檢測不再需要實驗動物，可以使用打印的器官或組織代替。該方法更為精確的檢測藥物的效力與影響，完全可以模擬藥物在人體內(nèi)部的情況，且減少了實驗動物的使用，有利于動物保護。

(6)生物3D打印技術(shù)將推動新一輪的產(chǎn)業(yè)融合

未來，生物科學(xué)不可避免的將要與醫(yī)學(xué)、工程學(xué)以及計算機科學(xué)相互融合，這將引起科學(xué)界新一輪質(zhì)的飛躍，甚至產(chǎn)業(yè)革命。(來源：百度百家 文/火石創(chuàng)造 編選：免費論文下載中心）