組織器官制造新途徑

器官移植面臨著嚴(yán)重的全球性供體短缺問題。在中國，每年只有不到1%的末期器官衰竭患者可以獲得供體并接受器官移植手術(shù)。組織工程，即體外構(gòu)建組織或器官的科學(xué)方法，已成功應(yīng)用于研究和臨床領(lǐng)域，為制造人工組織器官打下了基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)組織工程存在諸多局限，這使得生物三維打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。生物三維打印技術(shù)是一種新型的組織工程方法。通過生物三維打印技術(shù)，細(xì)胞、生物材料和生物活性分子被逐層地堆疊起來，從而形成具有特定形狀的三維組織，以模仿相應(yīng)人體組織的結(jié)構(gòu)和功能。該技術(shù)已被應(yīng)用于制造實(shí)體組織、中空組織和器官芯片。?

生物三維打印的部分應(yīng)用領(lǐng)域1.打印方法及“生物墨水”常見的生物三維打印方法有三種，即噴墨打印、擠出打印和基于光的打印。噴墨打印，是通過將熱或聲產(chǎn)生的力施加到噴嘴，從而將液滴噴射到電控平臺(tái)上。噴墨打印因其高速度、高通量、高精度和相對低的成本而被廣泛用于制造皮膚、軟骨、骨和血管。與噴墨打印相比，擠出打印更適用于具有較高粘度的材料。它包括熔融沉積成型和墨水直寫兩種，分別用于打印熱熔性聚合物和水凝膠?；诠獾拇蛴?，包括激光輔助打印和立體光刻，其特點(diǎn)是相對較高的打印速度和分辨率。激光輔助打印可用于制造類皮膚結(jié)構(gòu)、心肌組織等。立體光刻是用光（主要是紫外光）逐層將水凝膠光聚合以產(chǎn)生特定的圖案和幾何形狀。生物墨水是指用以制備組織器官的原材料，它包括可打印的生物材料、細(xì)胞和其他生物制劑。生物材料為細(xì)胞粘附、遷移、增殖和分化等活動(dòng)提供微環(huán)境和結(jié)構(gòu)支持。目前用于生物三維打印的細(xì)胞來源是各種類型的原代細(xì)胞或干細(xì)胞。2.實(shí)體組織實(shí)體組織是指不具有中空結(jié)構(gòu)的組織，主要包括軟骨、骨、皮膚和肌肉等。骨軟骨具有復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)。構(gòu)建骨軟骨界面是制造骨軟骨植入物中最具挑戰(zhàn)性的研究點(diǎn)。梯度化的結(jié)構(gòu)可能更好地與軟骨和軟骨下骨的宿主環(huán)境整合。微環(huán)境及生長因子的可控釋放也可能進(jìn)一步提升工程化骨軟骨的功能。皮膚是人體最大的器官，在免疫系統(tǒng)中起著重要作用，是第一道防御屏障。臨床上的皮膚缺損需要大量的皮膚替代品進(jìn)行治療。功能化皮膚模型應(yīng)具有真皮和表皮的雙層結(jié)構(gòu)。皮膚替代物的血管形成對臨床應(yīng)用也具有重要意義。人造肌肉在治療肌肉疾病和損傷、藥物研究等方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。心肌組織工程被認(rèn)為是治療心肌梗塞等心血管疾病的潛在方法。研究者已經(jīng)利用生物三維打印構(gòu)建了可收縮的功能性心臟補(bǔ)片；此外，結(jié)合微流體生物反應(yīng)器，人造肌肉組織還可模擬心血管疾病并評(píng)估心血管藥物毒性。3.中空組織相對于實(shí)體組織，中空組織的空間結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。血管是中空組織三維打印中最主要的一個(gè)研究領(lǐng)域。

血管的長度范圍從微尺度血管（毛細(xì)血管）到毫米大小的血管（如動(dòng)脈和靜脈）不等。不同尺度和結(jié)構(gòu)的血管需要不同的生物打印策略，主要有自組裝、灌注法和擠出法。自組裝方法使用細(xì)胞球作為單元，它們在打印后逐漸融合成特定的幾何形狀，并形成功能化的組織。然而，由于細(xì)胞球尺寸的限制，通過自組裝方法構(gòu)建的血管壁通常太厚，因而不利于營養(yǎng)物和氧氣的擴(kuò)散。灌注法是指使用各種犧牲材料來制造分支結(jié)構(gòu)，并通過熔化、溶解等方式形成血管網(wǎng)絡(luò)。目前，研究者已經(jīng)可以構(gòu)建厚度大于1cm的血管化組織，這為構(gòu)建含血管網(wǎng)絡(luò)的人體組織開辟了新的途徑。擠出法的主要優(yōu)勢在于構(gòu)建復(fù)雜幾何分支結(jié)構(gòu)。例如，佛羅里達(dá)大學(xué)的研究者用擠出法制備一種直徑跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)（從百微米到厘米尺度）的連續(xù)血管網(wǎng)絡(luò)。然而，具有生物學(xué)功能的血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造對制造工藝仍有更高要求。除血管以外，其他中空結(jié)構(gòu)組織，如神經(jīng)導(dǎo)管和心臟瓣膜，也具有巨大的臨床應(yīng)用前景。4.器官芯片器官芯片將微流體技術(shù)與生物三維打印技術(shù)相結(jié)合，可應(yīng)用于開發(fā)疾病模型、藥物研發(fā)和高通量檢測平臺(tái)。它們提供了模仿天然細(xì)胞外基質(zhì)的三維細(xì)胞外環(huán)境。與二維培養(yǎng)條件下的細(xì)胞相比，三維細(xì)胞外環(huán)境中的細(xì)胞對藥物的反應(yīng)更接近真實(shí)情況。肝臟芯片、心臟芯片等已經(jīng)驗(yàn)證了在模擬疾病及研究藥物反應(yīng)方面的應(yīng)用價(jià)值。近來，研究者提出了集成了多個(gè)功能性類器官，包括心臟類器官、肝臟類器官、血管模塊等的全身芯片。該技術(shù)將顯著地提高藥物研發(fā)的效率并降低成本。5.挑戰(zhàn)與展望由于打印速度、分辨率或材料兼容性的限制，現(xiàn)有的生物三維打印技術(shù)（噴墨打印、擠出打印或基于光的打?。┚鶡o法完全滿足構(gòu)建實(shí)體組織、中空組織或器官芯片的需求。多通道生物打印或復(fù)合打印策略將有利于各種生物材料的同步打印和制造具有異質(zhì)性復(fù)雜組織器官。可加工性和生物相容性之間的平衡是研發(fā)生物墨水的主要挑戰(zhàn)。生物墨水的物理性質(zhì)、交聯(lián)方法、降解特性等仍有待進(jìn)一步研究。與干細(xì)胞技術(shù)的結(jié)合是生物三維打印的重要趨勢之一。多種類型的細(xì)胞對于重現(xiàn)細(xì)胞與細(xì)胞的相互作用和再現(xiàn)組織或器官的功能是必不可少的。精確定位細(xì)胞和生物活性因子的能力在制造人造組織或器官中起著至關(guān)重要的作用。血管化和神經(jīng)化是組織工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)?？膳c宿主組織整合的仿生的三維分支血管網(wǎng)絡(luò)亟待研究；神經(jīng)化是構(gòu)建功能性組織或器官的下一個(gè)目標(biāo)?？傊?，生物三維打印實(shí)體組織和中空組織的研究成果將相互促進(jìn)，從而促進(jìn)壽命更長、體積更大、功能更豐富且可移植的組織器官的研發(fā)。這一發(fā)展將為等候器官移植的患者提供個(gè)性化診療方案。此外，