生物3D打印的原理與實(shí)驗(yàn)方案（一）：生物墨水及新興研究方向
3D生物打印是增材制造的一種形式，通過使用生物兼容性墨水或在其中添加細(xì)胞，使該墨水能夠應(yīng)用于三維組織工程……或許我們已經(jīng)看過多次這樣的生物3D打印定義。但細(xì)究打印過程的細(xì)節(jié)、步驟、原理，乃至延申到打印前的細(xì)胞培養(yǎng)和打印后的組織培養(yǎng)，或許都只有一個(gè)模糊的概念。因而，Jeremy M. Crook于2020年出版了3D Bioprinting: Principles and Protocols一書，旨在將生物3D打印前后相關(guān)的操作標(biāo)準(zhǔn)化，使科研工作者能夠更為方便地開展工作。書的內(nèi)容正如書名，分為Principle與Protocol兩大塊，前者介紹相關(guān)概念，以理論內(nèi)容為主；后者則提供實(shí)驗(yàn)步驟，以器官作為章節(jié)分類介紹。
書的內(nèi)容以生物3D打印的歷史作為起始。介紹了兩類生物3D打印公司：以設(shè)備和應(yīng)用起家、以耗材即生物墨水的開發(fā)起家。前者以瑞士regenHU作為代表，也包括德國(guó)Envision Tec（現(xiàn)為美國(guó)Desktop Metal全資子公司）、日本Cyfuse等；后者則以瑞典Cellink為代表（由公司名稱也能看出），包括美國(guó)Allevi、Se3D。他們能夠在領(lǐng)域發(fā)展初期，就看到生物墨水與傳統(tǒng)材料的區(qū)別，并開發(fā)合適的方法予以轉(zhuǎn)變。在書中，相對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，生物墨水有一下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、 以可控的方式被擠出，形成柱狀或能維持形狀的液滴等。
2、 在應(yīng)力作用下能夠因剪切稀變特性而發(fā)生流動(dòng)，但在沒有負(fù)載時(shí)則保持形狀。
3、 可以通過交聯(lián)或自組裝避免被溶解，同時(shí)可以在多層結(jié)構(gòu)或堆疊時(shí)維持形狀。
書的內(nèi)容以生物3D打印的歷史作為起始。介紹了兩類生物3D打印公司：以設(shè)備和應(yīng)用起家、以耗材即生物墨水的開發(fā)起家。前者以瑞士regenHU作為代表，也包括德國(guó)Envision Tec（現(xiàn)為美國(guó)Desktop Metal全資子公司）、日本Cyfuse等；后者則以瑞典Cellink為代表（由公司名稱也能看出），包括美國(guó)Allevi、Se3D。他們能夠在領(lǐng)域發(fā)展初期，就看到生物墨水與傳統(tǒng)材料的區(qū)別，并開發(fā)合適的方法予以轉(zhuǎn)變。在書中，相對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，生物墨水有一下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、 以可控的方式被擠出，形成柱狀或能維持形狀的液滴等。
2、 在應(yīng)力作用下能夠因剪切稀變特性而發(fā)生流動(dòng)，但在沒有負(fù)載時(shí)則保持形狀。
3、 可以通過交聯(lián)或自組裝避免被溶解，同時(shí)可以在多層結(jié)構(gòu)或堆疊時(shí)維持形狀。
圖1：生物3D打印中常見的兩種方式——擠出式與噴墨式
針對(duì)這些特點(diǎn)，需要通過以下方法使原有的傳統(tǒng)材料轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬?/span>
1、 加入增稠劑以提高墨水的黏度，并賦予剪切稀變的特性。
2、 控制溫度：某些材料在一定范圍內(nèi)復(fù)合生物墨水的性質(zhì)
3、 使用支撐材料輔助
另外，作者也提到，使用生物3D打印的一個(gè)較為現(xiàn)實(shí)且迫切的目的，是繞開傳統(tǒng)2D組織培養(yǎng)、異體組織移植、器官捐獻(xiàn)等種種帶來的限制。除了使用細(xì)胞進(jìn)行常規(guī)生物3D打印解決上述幾個(gè)問題外，作者也提到多個(gè)正在引起關(guān)注的研究方向：
1、4D生物打印：打印后的組織仍具有一定的活動(dòng)性，可隨時(shí)間或在刺激物的促進(jìn)下改變性質(zhì)
2、仿生機(jī)器人（Soft Robotics）：打印肌細(xì)胞和導(dǎo)電材料制作人工肌肉模型，在給予適當(dāng)刺激后，可使細(xì)胞發(fā)生收縮，成為生化機(jī)器人。
3、器官芯片（Organ-on-a-Chip）：在體外進(jìn)行器官小型化，打印出模擬器官，以研究其獨(dú)立或與其他器官之間的功能、活動(dòng)、反應(yīng)或機(jī)理，如藥理學(xué)、毒理學(xué)研究。
4、血管組織（Vascularized Tissues）：彌補(bǔ)傳統(tǒng)器官培養(yǎng)中缺乏血管網(wǎng)絡(luò)，難以真實(shí)模擬體外器官的缺陷。
參考文獻(xiàn)：
[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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1、 加入增稠劑以提高墨水的黏度，并賦予剪切稀變的特性。
2、 控制溫度：某些材料在一定范圍內(nèi)復(fù)合生物墨水的性質(zhì)
3、 使用支撐材料輔助
另外，作者也提到，使用生物3D打印的一個(gè)較為現(xiàn)實(shí)且迫切的目的，是繞開傳統(tǒng)2D組織培養(yǎng)、異體組織移植、器官捐獻(xiàn)等種種帶來的限制。除了使用細(xì)胞進(jìn)行常規(guī)生物3D打印解決上述幾個(gè)問題外，作者也提到多個(gè)正在引起關(guān)注的研究方向：
1、4D生物打印：打印后的組織仍具有一定的活動(dòng)性，可隨時(shí)間或在刺激物的促進(jìn)下改變性質(zhì)
2、仿生機(jī)器人（Soft Robotics）：打印肌細(xì)胞和導(dǎo)電材料制作人工肌肉模型，在給予適當(dāng)刺激后，可使細(xì)胞發(fā)生收縮，成為生化機(jī)器人。
3、器官芯片（Organ-on-a-Chip）：在體外進(jìn)行器官小型化，打印出模擬器官，以研究其獨(dú)立或與其他器官之間的功能、活動(dòng)、反應(yīng)或機(jī)理，如藥理學(xué)、毒理學(xué)研究。
4、血管組織（Vascularized Tissues）：彌補(bǔ)傳統(tǒng)器官培養(yǎng)中缺乏血管網(wǎng)絡(luò)，難以真實(shí)模擬體外器官的缺陷。
圖2：得益于生物3D打印，科學(xué)家可以在體外構(gòu)建更貼近真實(shí)情況的復(fù)雜血管網(wǎng)
同時(shí)，生物3D打印也較為適合在GLP（good laboratory practice，藥物非臨床研究質(zhì)量管理規(guī)范，在生物3D打印領(lǐng)域可譯為良好實(shí)驗(yàn)質(zhì)量管理規(guī)范）甚至GMP（Good Manufacturing Practice，藥物生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范，在生物3D打印領(lǐng)域可譯為良好生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范）規(guī)范下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而可控地完成組織構(gòu)造。參考文獻(xiàn)：
[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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