()中國(guó)神話故事中哪吒為報(bào)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(lái)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(huì)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(xiàn)的患者數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。僅僅在中國(guó)，腎臟移植的需求量就達(dá)到了十萬(wàn)的數(shù)量級(jí)，肝臟移植的市場(chǎng)需求量更是達(dá)到了百萬(wàn)級(jí)，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(duì)策是從一個(gè)生命體轉(zhuǎn)向另一個(gè)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(dòng)物臟器，但是往往涉及到倫理問(wèn)題。生物技術(shù)行業(yè)敏銳地意識(shí)到生物3D打印技術(shù)的潛力，快速增長(zhǎng)的3D打印機(jī)有望在未來(lái)全面解決器官移植供求嚴(yán)重失衡的問(wèn)題。在不久的將來(lái)，也許在患者床邊就能打印出仿生耳或者是人體的簡(jiǎn)單器官，無(wú)需等待，即刻修復(fù)自我。那些在漫長(zhǎng)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(jī)是一種基于電腦編程技術(shù)的，精確控制生物材料、細(xì)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(guò)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(jī)體。目前，生物3D打印的應(yīng)用平臺(tái)主要有鐳射(Laser-based)，噴繪(Inkjet-based)和擠制(Extrusion-based)這三種平臺(tái)。通過(guò)整合醫(yī)學(xué)、工程學(xué)、電子信息學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，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(jìn)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(gè)必要的條件：細(xì)胞(cell)、支架(scaffold)以及誘導(dǎo)條件(induction)。

(1)細(xì)胞

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

(2)支架

支架模擬了目標(biāo)器官的骨架，細(xì)胞通過(guò)依附支架而準(zhǔn)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(wú)毒的、可生物降解的、不引起并發(fā)癥的且適宜細(xì)胞增殖的生物制品。支架的密度、細(xì)胞排布機(jī)理等問(wèn)題都亟待解決。

(3)精準(zhǔn)誘導(dǎo)條件

該條件的確定是打印器官的最大難點(diǎn)。眾所周知，組織器官都由多種功能細(xì)胞構(gòu)成且一直處于動(dòng)態(tài)變化中。將一些細(xì)胞固定到支架上構(gòu)成器官?zèng)]有生物意義，成熟細(xì)胞不能重新編程獲得新功能。因而目前的生物3D打印機(jī)多構(gòu)建干細(xì)胞支架。隨之而來(lái)的問(wèn)題是干細(xì)胞分化的誘導(dǎo)問(wèn)題。該問(wèn)題復(fù)雜、涉及面廣，細(xì)胞受臨近干擾、細(xì)胞環(huán)境、化學(xué)信號(hào)、物理信號(hào)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(gè)技術(shù)難題：

(1)細(xì)胞技術(shù)

不同的組織器官由多種不同的且功能特異的細(xì)胞構(gòu)成。該細(xì)胞的體外分離培養(yǎng)至關(guān)重要，必需保證所有組成細(xì)胞都能在生物3D打印機(jī)中維持自身良好的生物活性。細(xì)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(dú)特的物理學(xué)特性。例如皮膚柔軟，而骨組織堅(jiān)硬。因此，對(duì)于不同組織的3D打印需要選擇與組織特性相對(duì)應(yīng)的生物材料，并且這些材料不能干擾所選擇細(xì)胞的生物活性和功能。同時(shí)所選材料必須能通過(guò)生物3D打印系統(tǒng)進(jìn)行操控。

(3)血管系統(tǒng)

大部分組織器官都通過(guò)血管系統(tǒng)提供營(yíng)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(dòng)物血管系統(tǒng)功能相當(dāng)?shù)奶娲罚矝](méi)有實(shí)現(xiàn)血管系統(tǒng)融入3D打印的機(jī)體中。

(4)誘導(dǎo)技術(shù)

人體器官是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的有機(jī)生物體，它不斷地發(fā)生新老細(xì)胞的替換，機(jī)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(xì)胞，在細(xì)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(wèn)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(xì)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(shí)不造成傷口污染是目前難以解決的問(wèn)題。

6 3D生物打印行業(yè)的產(chǎn)品

(1)打印生物有機(jī)物

標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印機(jī)的液滴大小基本與人類(lèi)細(xì)胞大小相當(dāng)，利用打印機(jī)，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(jī)物。

(2)打印血管系統(tǒng)

隨著醫(yī)療影像云平臺(tái)、生物油墨技術(shù)以及水性生物紙技術(shù)的進(jìn)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(shí)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(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。無(wú)論是器官還是組織都離不開(kāi)血管系統(tǒng)，該成果極大地促進(jìn)了器官打印時(shí)代的到來(lái)。

(3)打印可再生骨架與骨骼

打印人類(lèi)骨骼的生物3D打印機(jī)為骨質(zhì)壞損患者帶來(lái)了希望。骨骼打印機(jī)主要含有包裹組織細(xì)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(jī)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(lèi)軟骨

3D打印機(jī)成功打印人類(lèi)軟骨。據(jù)統(tǒng)計(jì)，8000-10000個(gè)孩子中會(huì)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(méi)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(wú)機(jī)鹽。該臟器僅易拉罐大小，由外殼、微芯片控制的過(guò)濾器，以及活體腎臟細(xì)胞組成。該迷你腎臟含有15個(gè)芯片，控制物質(zhì)過(guò)濾進(jìn)程，腎臟細(xì)胞可直接利用患者體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

(6)打印皮膚組織

3D打印機(jī)未來(lái)實(shí)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(dá)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(jì)程序，控制噴灑到傷口上的皮膚細(xì)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(chǎng)價(jià)值

據(jù)industryarc的研究報(bào)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(chǎng)價(jià)值為4.87億美元。該市場(chǎng)預(yù)計(jì)年增長(zhǎng)率將達(dá)到18.3%。

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

8發(fā)展前景

(1)縮短手術(shù)時(shí)間

生物3D打印技術(shù)可以打印出模擬人類(lèi)真實(shí)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(zhǔn)確的工具并不斷排除各種突發(fā)情況，從而促進(jìn)手術(shù)的成功，并縮短手術(shù)時(shí)間。

(2)再生醫(yī)學(xué)的光明

生物3D打印技術(shù)將開(kāi)啟新的醫(yī)療時(shí)代。器官移植無(wú)需等待，生物3D打印技術(shù)為病人提供新的專(zhuān)有的臟器以替換舊的病變的器官，從而使整個(gè)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(wèn)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(wú)限延長(zhǎng)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(duì)于皮膚燒傷損壞的病人可通過(guò)原位打印技術(shù)進(jìn)行傷口修復(fù)；人們可以從網(wǎng)絡(luò)上下載一個(gè)面部掃描圖并把它打印到自己臉部以實(shí)現(xiàn)整容的目的；人們還可以將自己不同年輕時(shí)的照片存儲(chǔ)下來(lái)，任何時(shí)候都可以將自己年輕的面孔打印下來(lái)，永葆青春不再是一個(gè)不可實(shí)現(xiàn)的美夢(mèng)。

(4)生物3D打印技術(shù)將成為未來(lái)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(huì)占據(jù)重要的位置?？梢源蛴а艿慕M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(kāi)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(cè)以及毒性檢測(cè)不再需要實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(cè)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用，有利于動(dòng)物保護(hù)。

(6)生物3D打印技術(shù)將推動(dòng)新一輪的產(chǎn)業(yè)融合

未來(lái)，生物科學(xué)不可避免的將要與醫(yī)學(xué)、工程學(xué)以及計(jì)算機(jī)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(lái)源：百度百家 文/火石創(chuàng)造 編選：免費(fèi)論文下載中心）