生物3D打印技术，是一种以计算机三维模型为“图纸”，装配特制“生物墨水”，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。作为一项具有交叉性和前沿性的新兴技术，生物3D打印技术的出现，可谓是为再生医学的高速发展插上了前进的翅膀。
01 生物3D打印技术
生物3D打印技术具体可以应用在哪些方面？
橘子汽水：在学术领域，大家通常将生物3D打印技术应用于组织工程，比如进行器官或者组织的打印人体部位图，其中一个主要的研究点是需要找到适合3D打印的材料，在生物研究中，生物墨水的开发和应用其实是生物3D打印技术的关键。我们的目的是研究开发出一种稳定、能够平衡可打印性、生物相容性、和机械性能等方面的一种生物墨水。
比如说我想要打印一个心脏、肝脏或者血管的结构，就会根据它们的性能，比如机械性能、导电性等来设计墨水、再打印出所需的结构。同时我也可以把细胞混在生物墨水里面打印出来看细胞在打印结构中的生长状态，看它的功能性表现是不是我们想要的。如果说它表现出来的功能性不好，就说明我们使用的生物墨水并不是非常好，需要再进行一些改良。
图1：生物3D心脏打印技术
目前市场上的3D生物打印公司主要做哪些业务？橘子汽水：3D生物打印公司它主要是做两个方向，一是做3D打印机。目前打印机可能在最常见的塑料打印机基础上改良为生物专用的打印机，比如最开始打印机只有一个针头，现在可以多针头，现在市场上4针头或者5针头的打印机还是比较常见，或者说更加fancy一点，就类似于机械臂一样。如果你打印一个结构需要更丰富的材料，你就可以制备好多种生物墨水放在类似于bank一样的地方，在打印过程中需要哪种墨水，机械臂就会去取相应的料筒进行打印，之后再取另外一个材料再打印，这样的话我想要多少材料来打印都可以实现。另外一个业务方向就是开发生物墨水，大家现在比较常用的是明胶，玻尿酸这样最普通的、我们很常见的材料。他们有相应的专利，有不同的材料配比，或者在其中添加了一些其他成分。
图2：生物3D打印机
生物3D打印技术可以打印人体的皮肤吗？
橘子汽水：皮肤其实是最容易打印的，因为它的结构并不是很复杂，前几年已经有人在做这方面的研究。它其实就是根据你的皮肤的不同的层状的结构，配备相应的生物墨水，然后一层一层打印。比如说有人皮肤烧伤，你就可以根据皮肤烧伤的形状，打印这一块皮肤。具体的流程是这样的：在对伤口进行扫描之后，它就会形成一个图片，然后再通过相应的软件转化为一个三维的结构设计，当输入到3D打印的软件里面后，它就能直接打印出一层皮肤，就是你的皮肤结构了。
图3：生物3D皮肤打印技术
生物3D打印技术可以打印骨头吗？
橘子汽水：对，在骨头这方面是有的，骨头其实是已经可以应用到市场了。修复人体受损的骨头比较普遍的是用人造骨，比如金属合金钛合金，目前也有利用3D打印技术来打印无机材料制成三维骨头。
中国有一家公司叫广州迈普再生医学科技股份有限公司，他们生物3D打印的硬脑（脊）膜补片已经植入了超过10000名患者的脑中。
02 生物3D打印之器官移植
为什么生物3D打印技术可以被应用于器官移植？
橘子汽水：谈到生物3D打印技术大家可能比较容易想到的是器官移植。为什么大家会觉得生物3D打印会在器官移植方面很有前景性，这是因为打印材料可以直接从病人体内提取，这些细胞培养之后混合在生物材料中，就产生了器官打印所需要的生物墨水。如果身体某一个器官不是很好，有一些问题需要移植的话，我们可以打印出所需要的器官的形状，然后在体外进行培养。培养的过程，如果说你的生物材料一切都是最佳状态的话，病人的细胞被放在生物材料里面，打印出的结构它是可以生长的，生长的同时也会生成它自己的组织。同时因为我需要用的外界的生物材料毕竟不是人体的，而是自己会降解的外在材料。那么如果细胞产生的细胞外基质（extracellular matrix）的速度跟原来我打印的时候里面的生物材料的降解速度相匹配的话，最后就能生长出一个非常匹配的这个病人的器官。为什么不直接用细胞长，主要是因为我用细胞和一个生物材料混合了之后，我打印出这样的一个结构就是类似于我来引导细胞长成在病人的体内，这个是最理想的状态。
图4：生物3D器官打印技术
生物3D打印在药物研究领域的应用。橘子汽水：在制药这一个方向，需要进行2维实验、动物实验、临床实验，一步一步走到最后才能应用到市场，投放给病人使用。这个过程通常来说会非常久，但是使用生物3D打印技术除了能够提供一个模拟人体的3维环境，也使得整个过程更加简单。比如我们现在有一个药是治疗肺部疾病的，如果我们能够打印出人体的组织器官，打印一个肺、一个心脏、或者一个肝组织，之后把这三个器官都放在一个chip上面，然后给药，在这个chip上我就同时能够看到这个药在心脏以及肝脏方面的影响。比如说研究这个药在肝脏里的代谢速度，推测对人体健康会有什么影响，同时我也能看这个药对于肺的是不是有功效性，相较于传统药物试验更加人性化。
图5：药物筛选过程
用生物3D打印技术打印一个人体器官，大概需要多长的时间呢？
橘子汽水：打印的时间是跟据你需要的器官的体积来决定的，主要耗时的是之后细胞生长培养的过程。
但是目前大家现在的研究主要是药物筛选（drug screening）这一块，因为作为药物筛选（drug screening）的话要求就不需要那么严格了，我只要看一下，比如说这个药我会不会对肝脏的细胞有什么影响，可能我在3~4个礼拜内就能得出结果，就不需要等到真正长成一个肝了。
图6：器官的药物筛选
3D打印不同的器官的时候，是不是需要混合不同种类的生物墨水？
橘子汽水：对，因为不同的的器官或者组织有不同的机械强度，它们的功能性都不一样，在理想情况下的话，确实是需要用不同的材料来打印不同的部位，这样才能真正的模拟一个人的器官。
如果用打印出的组织器官进行人体移植的话，生物墨水会引起排异反应吗？
橘子汽水：器官移植是将打印的器官在体外先培养一段时间之后才能移植到体内，在培养的过程中，这个细胞本身就已经长出了组织，同时我原来的生物墨水就已经在降解了。排异主要是由于受体和移植物的人类白细胞抗原不同导致的，所以我认为并不是材料这一块的排异，其实材料它只要表现为不会引发炎症的话，在应用到这个病人的时候，它就不会有什么排异现象。
因为在打印器官的时候就是用的病人的细胞，把这个病人他自己的东西再移植到他自己体内的话，就不会有什么问题。如果说可能还有其他炎症，那就说明我这个生物墨水是一个不理想的生物墨水，所以我还需要对生物墨水做更多的研究。
图7：器官移植
03 生物3D打印难题之血管打印
我们现在使用生物3D打印技术打印人体器官的时候，最大的难题是什么？
橘子汽水：目前人体器官可以被打印出来，但是问题是它的功能不全。比如说心脏里面有很多血管，目前3D打印的一个挑战，就是如何打印血管。因为人体需要很多血管，如果缺乏血管的话，当打印的结构复杂度提升之后，它中心内部的营养就会供应不上，导致细胞在中心部位存活有问题。所以说我们还需要在组织中打印很多血管结构，这目前算是一个比较大的挑战，大家也是目前在做这方面的一些研究。
图8：生物3D血管打印技术
所以最关键的问题就是如何打印血管是吗？橘子汽水：是的。因为正常而言如果你这个东西的厚度超过了100~200微米的话，细胞的营养供应就已经很受限了，这就是为什么我需要有血管，因为有血管的话，我血管里面提供养分，在血管周围100~200微米这个范围内的细胞都能够得到这些养分可以存活，可以表现的比较好，但是如果说没有血管的话，就意味着尤其是中间比较厚的地方，细胞在这个里面是没有足够的养分供应的，可能就会死掉了，或者说它的功能就会受限。
血管的3D打印，也是把血管壁细胞放到模具中让它去生长吗？橘子汽水：有些你可以直接打印。目前打印血管的话，比如说颈动脉，它就是比较粗的，因为它的内部的直径能达到6毫米，相对而言它的尺寸和毛细血管或者说其他的血管而言已经算比较大的，这种情况下的话，就可以正常的3D打印出来。类似于我提供一个supporting bath，在里面打印我就可以打一个很高很大的结构，因为有supporting bath支撑，它就不会坍塌。这个是打印一些比较大的结构，还有打一些比较小结构的，有一种方式叫co-axial(同轴双组份)技术，就是两个针头人体部位图，你把两个针头套到一起，里面是一个小的针头，外面再有个稍大直径的针头，这样的话中间的小的针头里面通的是一种溶液，外面通另外一种，中间的溶液是为了来交联外面的材料的，这么打印出来直接就能打印出一个中空的管子，它就是一个血管的结构了。最简单的就是比如说我外面是通的藻酸盐溶液，然后中间通的是氯化钙，因为藻酸盐遇到氯化钙就会交联变成了水凝胶。通过控制好两个的挤出的速度比，你就能直接打印出一个血管结构。
图9：颈动脉3D打印技术
按照我们现在的发展速度，解决这个难题大概还需要多久？
橘子汽水：我之前有看到Anthony Atlas老师，他们是打印的肾脏，他们组也是研究生物打印这一块的，他们打印了人的肾，可能在2010年或者说2011年左右就已经打印出来一个肾，但是要真正用于临床还是有很长一段路要走的。血管的问题没有解决的话，打印出的器官就不能被用于人体移植。
图10：生物3D肾脏打印技术
04 生物3D打印技术的一些疑问
在选择打印材料时，需要考虑哪些参数呢？
橘子汽水：一个就是它的机械强度，比如说我想要打印一个肝，我所选用的生物材料的机械强度要跟人体的肝的机械强度是相匹配的，肝细胞在里面生长需要我们提供一个相对友好的环境，这是首要的。第二个因为是作为生物材料，肯定要没有毒性，能生物相容，它的降解速度这些方面我们需要考虑。第三个是作为3D打印技术的话，比如说我是做挤出型的这样的一个3D打印技术，你同时需要考虑它这个材料的剪切变稀的一个性能。剪切变稀就是说材料在高shear rate时，粘度比较低，在低shear rate时，粘度较高。在打印的过程中细胞会经历一个挤压的过程，如果它的share stress（=shear rate x 粘度）太高的话，细胞就会死掉，细胞相对而言还是比较脆弱的；低shear rate时的高粘度就意味着生物墨水挤出来之后，它就不会很容易的流动，能保持它的形状，这样的话我的结构的stability会比较高。
图11：生物3D肝脏打印技术
使用3D生物打印技术来进行药物筛选的时候，它能够提供的信息准确度有多高？
橘子汽水：如果我没有记错的话，我记得最开始在应用到动物或者临床试验之前，以前的技术它是做二维的测试的，可能细胞只是在一个二维的环境中提供一个测试，那细胞在二维环境中和在人体这种三维的环境中，它的表现是不一样。所以说如果用传统的方法的话，它可能在那个阶段的准确度就已经不高，但是如果说我现在更加的模拟了人体的环境，相对而言它的准确度以及它的细胞的功能性表现的话应该就会更加准确一点，但是我觉得肯定之后还会有临床试验，肯定是要经过临床试验才能投放到市场，只不过是我在前期的这个过程里面会更加的准确一点。相对于传统的二维的这样的一个检测筛选的一个过程，细胞在三维环境中的话，会给出一个更加准确的结果。
在生物3D打印技术的应用场景当中，有没有一些伦理问题的存在？
橘子汽水：3D打印技术打印出来的是一个物件，没有改变人类的基因序列，并没有违背生命准则，如果发展的好的话，能够很好的满足当前社会人们对器官的需求，所以并没有太多伦理问题的讨论。而且目前3D打印主要还是应用于药物筛选这一块，我觉得它在这一方面如果真的做得很好，其实是很受益的。
图12：生物3D打印技术
从理论上来说，利用生物3D打印技术可以在体外构建皮肤、骨骼、神经、器官等，虽然由于人体器官结构、形态及生理功能的复杂性，人体器官的生物3D打印仍然面临着诸多难题，但是相信随着对多细胞、多材料、高度复杂体系背后机制的探索和理解，快速进步更新迭代的生物3D打印技术将会加速推动再生医学的发展，进而为现代医学带来革命性突破！