■文/ 張 華 李積宗 馮心宜 孟海華

骨組織再生是一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域，對(duì)骨損傷、骨疾病和骨缺陷的治療具有重要意義。傳統(tǒng)的骨組織再生方法受到供體限制、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和功能恢復(fù)困難等問(wèn)題的限制。隨著3D 生物打印技術(shù)的快速發(fā)展，骨組織再生領(lǐng)域迎來(lái)了一個(gè)全新的前景。

3D 生物打印的主要特點(diǎn)與工作流程

3D生物打印技術(shù)是一種創(chuàng)新性的制造技術(shù)，結(jié)合了3D 打印技術(shù)和生物學(xué)原理，旨在通過(guò)逐層堆疊生物材料來(lái)構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的生物組織和器官。與傳統(tǒng)的生物制造方法相比，3D生物打印技術(shù)具有更高的精度、復(fù)雜性和個(gè)性化定制能力。傳統(tǒng)的3D 打印技術(shù)使用塑料或金屬等材料打印物體，而3D 生物打印技術(shù)則使用生物材料，如細(xì)胞、細(xì)胞培養(yǎng)基、生物支架等。這些生物材料可以根據(jù)特定需求和目標(biāo)組織的特性進(jìn)行定制，以制造出模仿自然組織特征的生物醫(yī)學(xué)部件。

3D 生物打印技術(shù)的工作流程一般包括以下4 個(gè)步驟。一是設(shè)計(jì)模型。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建目標(biāo)組織或器官的三維模型，這個(gè)模型可以根據(jù)需要進(jìn)行個(gè)性化定制，以適應(yīng)不同患者的需求。二是準(zhǔn)備生物墨水。根據(jù)目標(biāo)組織的類(lèi)型和特性，制備適當(dāng)?shù)纳锬?。生物墨水通常由生物材料（如?xì)胞）和生物支架（提供結(jié)構(gòu)支持）組成。三是打印過(guò)程。將生物墨水加載到3D 打印機(jī)中，并按照預(yù)定的CAD 模型進(jìn)行打印。打印機(jī)按照逐層堆疊的方式，將生物墨水逐漸轉(zhuǎn)化為具有特定結(jié)構(gòu)和功能的生物組織。四是細(xì)胞培養(yǎng)和成熟。打印完成后，生物組織需要進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)和成熟的過(guò)程。在適宜的培養(yǎng)條件下，細(xì)胞將自行分化和生長(zhǎng)，形成完整的組織結(jié)構(gòu)。

3D 生物打印的先進(jìn)材料

墨水材料的選擇是生物打印成功與否的關(guān)鍵。在骨科組織的生物打印中，選擇合適的墨水材料可以確保打印出具有所需力學(xué)性能和生物相容性的組織結(jié)構(gòu)。常用的墨水材料包括合成聚合物、水凝膠基等。在組織打印過(guò)程中應(yīng)考慮其流變性、機(jī)械性能、仿生性、生物降解性等關(guān)鍵特性。

●合成聚合物作為生物墨水

合成聚合物作為生物墨水在生物打印中具有廣泛的應(yīng)用。合成聚合物的選擇應(yīng)考慮其生物相容性、可加工性、力學(xué)性能和生物降解性等關(guān)鍵特性。常見(jiàn)的合成聚合物包括聚乳酸（PLA）、聚乙二醇（PEG）、聚己內(nèi)酯（PCL）等。這些聚合物具有良好的生物相容性和生物降解性，可用于打印組織工程支架和修復(fù)材料。此外，還有一些具有特殊功能的合成聚合物，如溫敏聚合物、光敏聚合物和電活性聚合物，可用于實(shí)現(xiàn)具有響應(yīng)性和智能性的生物打印，通過(guò)選擇合適的合成聚合物，可以實(shí)現(xiàn)精確控制的組織構(gòu)建和功能性生物材料的制備。

●水凝膠作為生物墨水

水凝膠生物墨水是一種重要的生物打印材料，它能夠在生物打印過(guò)程中提供支撐和保護(hù)細(xì)胞，并為細(xì)胞提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。水凝膠是由水和高分子聚合物交聯(lián)形成的3D 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的生物相容性和可調(diào)控的物理性質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物輸送系統(tǒng)、生物傳感器和仿生材料等領(lǐng)域。一些常見(jiàn)的天然來(lái)源水凝膠有海藻酸鹽、明膠、膠原蛋白、脫細(xì)胞基質(zhì)（dECM）等。

dECM 生物墨水的生物相容性和生物活性使其成為組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要材料。它由去細(xì)胞化的細(xì)胞外基質(zhì)制成，通常來(lái)自動(dòng)物組織，如心臟、肝臟等，可以用于制備具有生物活性和生物相容性的復(fù)雜生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)，為組織工程、再生醫(yī)學(xué)和個(gè)體化醫(yī)療領(lǐng)域提供了重要的解決方案。

3D 生物打印在骨組織工程中的應(yīng)用

肌肉骨骼系統(tǒng)由多種組織組成（如骨骼、軟骨、骨骼肌、肌腱/韌帶和其他組織組成），它們結(jié)合在一起同步工作，為身體提供支撐和穩(wěn)定性并保護(hù)重要器官。骨科手術(shù)常用于治療肌肉骨骼創(chuàng)傷、損傷和退行性疾病。在許多病理性疾病中，移植術(shù)是恢復(fù)組織功能最可行的選擇之一。目前，自體移植物仍然是骨科臨床的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，它們的局限性如資源有限、供體部位的移動(dòng)性、疾病傳播和功能喪失等，可能會(huì)限制其臨床使用。由于組成、組織和機(jī)械行為的復(fù)雜性，尋找具有合適的生物材料和生物制造方法的理想植入體，以實(shí)現(xiàn)最佳的再生結(jié)果是具有挑戰(zhàn)性的。因此，3D 生物打印技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，并成為推進(jìn)再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要工具。

基于3D 生物打印的生物制造為3D 功能組織等價(jià)物的生產(chǎn)開(kāi)辟了新的途徑，以鼓勵(lì)受損組織的再生，如骨骼、軟骨、骨骼肌、肌腱/韌帶及其相關(guān)的多組織界面。

●3D 生物打印在骨組織方面的應(yīng)用

由于老化、創(chuàng)傷、腫瘤、感染和關(guān)節(jié)置換術(shù)失敗而引起的骨丟失和損傷通常需要手術(shù)干預(yù)，以協(xié)助骨缺損和骨折的愈合。在臨床治療方案中，自體移植是目前修復(fù)骨病變的金標(biāo)準(zhǔn)，但往往由于缺乏替代品而受到限制，還面臨供體部位發(fā)病率高和可能的病原體傳播等問(wèn)題。3D 生物打印是生產(chǎn)骨組織工程定制支架的一個(gè)有吸引力的策略。許多研究已經(jīng)探索了3D 生物打印在工程再生生物支架中的潛力，這項(xiàng)技術(shù)允許以一種逐層堆疊的方式創(chuàng)建復(fù)雜的生物組織和結(jié)構(gòu)，從而為組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供新的可能。大多數(shù)3D 打印支架將生物陶瓷，如羥基磷灰石（HA）和β-磷酸三鈣（β-TCP），結(jié)合到合成材料中，以提高其骨導(dǎo)電性和成骨能力。例如，2016 年美國(guó)西北大學(xué)的拉米列·沙阿（Ramille Shah）和阿達(dá)姆·亞庫(kù)斯（Adam Jakus）首次開(kāi)發(fā)了一種超彈性骨（HB）墨水用來(lái)打印一種用于骨再生的彈性結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種能夠模擬人體骨骼的高度彈性結(jié)構(gòu)，以提供更好的骨組織再生支持。傳統(tǒng)的骨組織工程材料往往過(guò)于脆弱，無(wú)法承受骨骼的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，而HB 墨水通過(guò)其獨(dú)特的超彈性彌補(bǔ)了這一缺陷。

隨著3D 生物打印技術(shù)的發(fā)展，目前的研究主要集中在3D 生物打印結(jié)構(gòu)中復(fù)制細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）和礦化骨環(huán)境。ECM 是一種復(fù)雜的三維支架結(jié)構(gòu)，存在于細(xì)胞周?chē)?，?duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和功能發(fā)揮起重要作用。研究人員利用3D 生物打印技術(shù)，可以精確控制打印材料的排列和組織結(jié)構(gòu)，以復(fù)制ECM 的特征。骨組織的礦化過(guò)程對(duì)骨骼的形成和維持至關(guān)重要。通過(guò)3D 生物打印技術(shù)，研究人員可以打印出類(lèi)似骨骼中礦化環(huán)境的結(jié)構(gòu)。例如，利用打印材料中含有鈣磷化合物，可以模擬骨骼中的礦化成分。這種方法可以為骨組織工程提供更逼真的仿生構(gòu)建物，提供骨細(xì)胞生長(zhǎng)和骨礦化所需要的適宜環(huán)境。此外，通過(guò)控制打印材料的成分和結(jié)構(gòu)，還可以調(diào)節(jié)構(gòu)建物的機(jī)械性能，使其更接近自然骨骼的力學(xué)特性。

目前，在生產(chǎn)具有臨床相關(guān)性和功能性的骨替代品方面還存在許多挑戰(zhàn)，包括生物相容性和生物降解性、結(jié)構(gòu)和功能仿真、細(xì)胞源和細(xì)胞培養(yǎng)、血管化和供血、臨床驗(yàn)證和監(jiān)管要求等。3D 生物打印骨組織的臨床轉(zhuǎn)化在被廣泛使用之前需要克服這些關(guān)鍵障礙。

●3D 生物打印在軟骨組織方面的應(yīng)用

軟骨組織可分為透明軟骨、彈性軟骨或纖維軟骨，它們根據(jù)給定的軟骨組織的特化來(lái)執(zhí)行不同的功能。軟骨是一種缺乏血管和神經(jīng)的結(jié)締組織，主要由被稱為軟骨細(xì)胞的特化細(xì)胞組成。由于缺乏血液供應(yīng)，軟骨的新陳代謝和細(xì)胞更新速度較慢，細(xì)胞數(shù)量也相對(duì)較少。這導(dǎo)致了軟骨組織的自我修復(fù)和再生能力較弱。因此，局灶性軟骨病變很少愈合，通常會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)行性和退行性改變。目前的手術(shù)治療效果有限，導(dǎo)致受傷部位的嚴(yán)重疼痛和活動(dòng)能力受損。3D 生物打印技術(shù)在軟組織工程中的應(yīng)用正在不斷發(fā)展。雖然軟組織與硬組織（如骨骼）相比具有不同的特性，但3D 生物打印提供了一種潛在的方法來(lái)構(gòu)建和修復(fù)軟組織。

結(jié)合合成生物材料墨水和含細(xì)胞水凝膠生物墨水對(duì)混合結(jié)構(gòu)的3D 生物打印已成為一種流行的再生方法，以提高軟骨組織工程結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)和生物性能。美國(guó)伊利諾伊理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系副教授福爾格尼·帕蒂（Falguni Pati）等利用3D 生物打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種混合細(xì)胞負(fù)載結(jié)構(gòu)，使用PCL 和dECM 生物墨水交替打印，形成一種多層結(jié)構(gòu)。PCL 提供了結(jié)構(gòu)支持和機(jī)械強(qiáng)度，而dECM 生物墨水則包含軟骨細(xì)胞所需的細(xì)胞信號(hào)分子和細(xì)胞黏附位點(diǎn)。通過(guò)這種方法，研究人員成功地構(gòu)建了一個(gè)PCL 層和dECM 層交替排列的混合細(xì)胞負(fù)載的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠?yàn)檐浌羌?xì)胞提供合適的生長(zhǎng)環(huán)境，并促進(jìn)軟骨組織的再生和修復(fù)。該研究展示了在3D生物打印中利用不同材料的交替層構(gòu)建復(fù)雜的混合細(xì)胞負(fù)載結(jié)構(gòu)的潛力。通過(guò)調(diào)控材料的組合和層次結(jié)構(gòu)，為不同類(lèi)型的細(xì)胞提供適當(dāng)?shù)闹С趾托盘?hào)，從而更好地模擬和促進(jìn)軟骨組織的生長(zhǎng)和再生。2019 年，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院周廣東教授和東華大學(xué)莫秀梅教授在《材料與設(shè)計(jì)》（Materials&Design）雜志上共同發(fā)表一篇題目為《用于軟骨再生的三維打印電紡纖維支架》（Three-dimensional printed electrospun fiber-based scaffold for cartilage regeneration）的文章。研究人員將靜電紡絲、3D 打印、冷凍干燥、交聯(lián)等技術(shù)相結(jié)合，成功地將靜電紡絲纖維制成了外觀形狀準(zhǔn)確、大孔結(jié)構(gòu)可控、力學(xué)性能良好的三維纖維支架。

總的來(lái)說(shuō)，3D 生物打印技術(shù)通過(guò)將細(xì)胞、生物材料和/或生物活性蛋白等生物成分結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)仿生構(gòu)建的軟骨組織工程。然而，使用3D 生物打印技術(shù)的軟骨修復(fù)并沒(méi)有在臨床實(shí)踐中使用。生物打印組織在軟骨再生臨床轉(zhuǎn)化中面臨的挑戰(zhàn)包括細(xì)胞源和質(zhì)量控制、生物墨水開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、血管化和生物材料降解、安全性和效果評(píng)估等。通過(guò)不斷的研究和技術(shù)進(jìn)步，3D 生物打印技術(shù)有望克服這些障礙，為軟骨再生提供更有效的治療手段。

●3D 生物打印在骨骼肌組織方面的應(yīng)用

骨骼肌在維持其結(jié)構(gòu)和促進(jìn)運(yùn)動(dòng)中起著核心作用。骨骼肌具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能，包括肌纖維、肌束、肌肉腹、肌腱等組織。傳統(tǒng)的組織工程方法往往難以準(zhǔn)確地重建這些結(jié)構(gòu)，并且無(wú)法滿足骨骼肌再生和修復(fù)的需求。3D 生物打印技術(shù)可以通過(guò)將細(xì)胞、生物材料和生長(zhǎng)因子等生物成分精確定位和分層堆疊，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制組織構(gòu)建。

與其他骨科組織（如骨、軟骨、肌腱或韌帶）不同，骨骼肌是一種相對(duì)軟的組織。因此，聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）、膠原蛋白、明膠、海藻酸鹽、纖維蛋白和肌肉來(lái)源的dECM等水凝膠材料，由于其柔軟性和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于生物打印肌肉結(jié)構(gòu)。

通過(guò)將神經(jīng)細(xì)胞與生物打印的骨骼肌構(gòu)建整合，研究人員能夠模擬正常肌肉的神經(jīng)連接。這種神經(jīng)輸入為肌肉結(jié)構(gòu)的再生提供了額外的刺激和指導(dǎo)，有助于促進(jìn)其恢復(fù)和重建。在實(shí)驗(yàn)中，將細(xì)胞和生物打印材料相結(jié)合，通過(guò)合適的生長(zhǎng)環(huán)境和條件，細(xì)胞能夠成長(zhǎng)和發(fā)育。通過(guò)模擬神經(jīng)輸入，這些細(xì)胞可以在構(gòu)建的肌肉結(jié)構(gòu)中形成新的神經(jīng)連接，并與周?chē)慕M織相互作用。生物打印的骨骼肌結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)輸入對(duì)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)起到了關(guān)鍵作用。這種細(xì)胞和神經(jīng)整合的方法有望幫助人體肌肉損傷的治療和恢復(fù)。

●3D 生物打印在肌腱/韌帶及其界面組織方面的應(yīng)用

肌腱和韌帶是人體中的重要結(jié)締組織，對(duì)維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和促進(jìn)肌肉骨骼組織之間的平滑負(fù)荷傳遞起著關(guān)鍵作用。3D 生物打印技術(shù)在肌腱/韌帶及其界面組織工程中具有廣泛的應(yīng)用前景，包括生物材料打印、結(jié)構(gòu)支架打印、生物打印細(xì)胞等。

一是生物材料打印。傳統(tǒng)的組織工程材料往往難以滿足復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和功能需求，而生物材料打印提供了一種定制化制備的解決方案。例如，可以被精確地定位和排列生物可降解聚合物、生物陶瓷和生物纖維素等材料可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，以滿足不同肌腱/韌帶組織的特性和性能要求。這些材料在3D生物打印過(guò)程中，可以構(gòu)建具有類(lèi)似自然組織結(jié)構(gòu)的肌腱/韌帶工程。

二是結(jié)構(gòu)支架打印。3D 生物打印技術(shù)可以制造肌腱/ 韌帶的支架結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞提供生長(zhǎng)和擴(kuò)散的空間，同時(shí)也提供力學(xué)支持。支架的孔隙結(jié)構(gòu)也是一個(gè)關(guān)鍵因素。3D 生物打印技術(shù)可以設(shè)計(jì)出具有特定孔隙率和大小的支架結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)細(xì)胞遷移、營(yíng)養(yǎng)輸送和新生組織形成。此外，支架材料的力學(xué)性能也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，以提供適當(dāng)?shù)膭偠群蛷椥浴?/p>

三是生物打印細(xì)胞和因子。3D 生物打印技術(shù)可以精確地定位細(xì)胞和生物因子，以促進(jìn)肌腱/韌帶組織的再生和修復(fù)。例如，通過(guò)打印預(yù)定位置的細(xì)胞，可以模擬自然組織中的細(xì)胞排列和分布，促進(jìn)組織的完整修復(fù)。

總的來(lái)說(shuō)，目前3D 生物打印技術(shù)在骨組織工程中的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，并展示出巨大的潛力。未來(lái)，通過(guò)與合成生物學(xué)、基因編輯等其他前沿技術(shù)相結(jié)合，3D 生物打印技術(shù)在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的突破和創(chuàng)新，為臨床實(shí)踐帶來(lái)更大的益處。