生物3D打印是利用3D打印机，将含有细胞、生长因子和生物材料的生物墨水打印出仿生组织结构的新兴技术。这项技术经过多年的研究，已取得多项进展。

　　近日，从中国科学院遗传与发育生物学研究所和清华大学又传来了喜讯，两家单位的联合研究团队突破了相关技术瓶颈，成功打印出具有体外活性的心肌组织。

　　那么，这项技术有哪些值得探讨的地方？科学家们是如何实现了技术突破的？

　　技术1

　　生物墨水

　　医疗行业从2014年开始集中关注器官组织的3D打印技术，其中最为人所知的主要是利用金属、陶瓷、塑料等材料制成填充物，修复骨骼等坚硬的人体部分。此外，3D打印技术还可以制成心脏等脏器的硅胶模型，以便外科医生在正式手术前研究疗法或进行演练。

　　随着生物3D打印技术的发展，如何选择合适的材料和工艺，实现打印皮肤、眼角膜这些既需要生物相容性、也对柔软度和韧性有较高要求的组织和器官，成为了如今的研究热点。与此同时，生物墨水这一新概念也逐渐走进了大家的视野。能否打印出人体器官组织，最关键的技术之一便是用于3D打印的原材料，也就是生物墨水。

　　在目前的生物3D打印技术中，单独的细胞本身无法充当打印材料，因此需要一些特殊的物质，作为支撑细胞存活的基质。基质与细胞融合后，混合物再从打印机的喷头中喷射出来用于打印，这种混合物便是生物墨水（有时生物墨水也单指基质本身）。根据制法、原料的不同，生物墨水的性能也不尽相同，但从成分来说大多是含有干细胞的水凝胶。以胶原、明胶、玻尿酸、褐藻酸以及纳米植物细胞等生物聚合体作为基础的生物墨水，具有良好的生物相容性，同时容易进行3D打印。打印出的构造可以模仿真实的细胞间基质，这也让打印复杂的立体组织结构成为可能。

　　技术2

　　打印机

　　3D打印组织器官除了对生物墨水有极高的要求，也需要能配合其使用的打印机。2016年，国外一家公司推出了使用生物墨水的专用3D打印机。他们研发出的配套生物墨水是以纳米纤维素为基础的水凝胶，这种材料提供了与细胞外基质相似的结构，能够让细胞与墨水混合打印。该3D打印机只要先进行立体印刷，再对打印完的结构进行交联，形成的组织就变得容易后处理并且耐冲击。

　　大多数3D生物打印机都采用了特殊的结构，这也让液滴喷射过程中，剪切力和液滴的冲击力对细胞活性造成的冲击可以最小化。打印机的喷头孔径一般为150微米到2毫米之间。打印过程中细胞或分子保持液态，打印后可以短时间凝固，呈现黏弹性状态。这种液态到固态的变化可以尽量减少对细胞、生物活性因子以及其他微粒的损伤，保证细胞的存活，从而有利于体外培养。打印过程中，需要将生物墨水打印在生物支架上，打印后该支架不仅能起到维持细胞混合体三维结构的作用，同时还可以维持后续细胞的生长和存活率。随着细胞的成活以及组织的形成，这些生物支架又可以经处理自行降解。

　　技术3

　　印刷工艺

　　在生物墨水和打印机之外，还有一项技术非常关键，就是印刷工艺。好的工艺可以将材料和设备本身的潜力发挥到最大，同时尽量避免暴露材料和设备的缺陷。之前的生物3D打印技术存在的最大问题就是很难重现真正的组织结构，打印出的产物并非是三维有机体，而是一个细胞群构成的团块。

　　随着打印工艺的革新，我国科学家最新的研究成果已经能够很好地再现打印组织的三维结构。

　　科研团队将六轴机器人的设计原理融入到生物3D打印技术中，这种机器人具有六个可以360°自由转动的关节，因此改进后的3D打印机可以在空间内以任意角度进行细胞打印，极大地增加了3D打印的灵活性。同时，研究人员重新设计了循环式的“打印-培养”工艺，不追求一次成型，添加了培养工序。具体而言就是在血管支架上打印出若干层细胞后，再对其进行一段时间的整体培养。当打印细胞之间诱导出具有生理功能的胞间连接和新生毛细血管网后，再进行新一轮细胞打印。这种方法虽然在生产效率上处于劣势，但在印刷质量方面具有优势，不仅可以更好地再现组织结构，还可以保证打印组织的长期存活。

　　（本报综合）