临床用于组织修复与器官移植将成为现实
3D生物打印被认为是现代医疗领域的一场颠覆性革命。
试想，在未来，人类因治疗需要的器官移植，不再需要漫长而不确定的等待配型、捐赠和移植手术的过程，也不再需要容忍排异带来的痛苦，只需以自身细胞为原料，就能培养出完全适合自己的组织、器官，这将会拯救多少需要器官移植或组织修复患者的生命？随着3D生物打印技术的发展，这个未来似乎并不遥远了。
而圆阳此前官宣的“组织修复手术机器人”项目，也正是与3D生物打印技术息息相关…
什么是3D生物打印？
作为再生医学的一个分支，过去10年，3D生物打印已经从一个“听起来”很酷的潜力股技术，变成了“可以看到的”很酷的一项前沿性新兴科技手段。
这项技术以计算机三维模型为“图纸”，利用3D打印机将含有细胞和生物材料的生物墨水制造出个性化医疗器械、辅助器具、组织工程支架、组织器官甚至生命体等制品，实现组织功能化。
和3D打印原理相似，3D生物打印通过将层层的材料堆叠在一起，一次一层，建构出一个三维物体。不同于普通的3D打印机使用金属、塑料或陶瓷材料，3D生物打印机使用“生物墨水“：一种含有活细胞的可打印材料，许多生物墨水的主体是一种富含水分的分子，称作水凝胶，水凝胶里混合了上百万个活细胞，和各种用来促进细胞交流和生长的化学物质，有些生物墨水只含单一一种细胞，有些则结合许多不同的细胞，来制造出更复杂的生物功能结构体。
通俗来讲，3D生物打印就是通过3D打印技术，将含有活细胞的生物相容性材料打印成三维功能化的活组织，并能实现与目标组织或生物器官接近、相同、甚至更优越的功能。
可以说，3D生物打印是最有希望实现在体外制造人类器官的新兴技术之一。
3D生物打印技术的应用前景
自21世纪初第一台生物打印机开发以来，生物打印已经发展到生产病理学模型、药物筛选的组织设计、医学研究和再生医学。
在3D生物打印技术应用于生物医疗的初期，只能打印包括骨、软骨、血管神经、肌腱、牙齿和皮肤组织等的3D支架，目前则已经逐步发展到可以打印如肝、肾、心脏等具有较复杂结构和生物组成的器官原型。发展至今，3D生物打印技术已逐渐成熟的科研应用领域包括：
- 仿生组织器官：如脊髓、心脏、皮肤打印等；
- 组织工程支架：如骨修复支架、半月板支架、骨-软骨支架等；
- 细胞研究与治疗：如细胞免疫研究、胚胎干细胞打印、神经细胞打印等；
- 个性化药检模型：如器官芯片、个性化肝癌模型、神经药物筛选的类脑模型；
- 高端医疗器械：如抗HPV病毒蛋白缓释支架、心脏支架、血管支架、人工心脏瓣膜等；
- 先进材料拓展应用：如人造肉等。
然而，如果把人比作一部巨大的机器，3D生物打印的存在更像是为这部“机器”去制造那些可用来替换“故障零件”的技术（器官移植），但目前它只能用来制作一些用于模拟“解决或发现故障”的仿真模型（体外模型），确切地说，现阶段我们离实现“零件的替换”（打印以临床替换病人的功能器官为终点）还有很长的一段路要走。
即便该领域尚处于发展的早期阶段，源于该技术预期对健康医疗和制药行业带来的革命性突破，全球各大市场分析与预测机构都不约而同地看到了3D生物打印技术可观的市场前景与潜力，并纷纷对其未来5-10年的市场份额进行了估计。
保守估计，10年内该行业将具有20亿美元以上的全球市场规模。从地区发展来看，北美目前拥有最大的市场份额并将在未来5-10年保持这一优势，但亚太地区在未来5年将具有更高的增长率，未来将是生物3D打印的主要市场之一。
3D生物打印技术发展关键与难点
目前，3D生物打印技术在组织工程领域的研究尚处于起步阶段，如何用3D打印技术构建活体组织结构仍是一项艰巨的任务，为此成功的3D生物打印必须克服以下几个具体的技术难题。
1. 细胞技术
选择什么样的细胞，对于3D生物打印相关的生物组织或者器官是至关重要的。人体的不同组织都是由特有的细胞组合而成，肝脏主要有肝细胞，心脏主要有心肌细胞，皮肤主要有各种上皮细胞等等。但是并不是所有组织特有的细胞都可以在体外分离进行培养，而且不是所有细胞都能够经历了3D生物打印的环境之后还能够保持自身的生物活性。所以如何优化细胞分离，培养，增殖技术是保证3D生物打印成功的前提条件。
2. 生物材料（即生物墨水）
打印所需的“生物材料（生物墨水）”是现如今严重影响和制约3D生物打印发展的重要因素之一。人体不同的组织器官有其特有的物理学，力学特性。皮肤的柔软，骨组织的坚硬致使在对不同组织的3D打印过程中，需要选择与组织特性相对应的生物材料，并且这些材料需要最大程度的保持所选择细胞的生物活性和功能。更重要的一点是，所选择的材料必须能通过3D打印系统进行操作。这就使生物材料的选择非常具有挑战性，而且需要在打印过程中不断地优化，改进。另一方面，优质的、适合的材料往往难以获得且成本极高，这也将是技术发展过程中所需要克服的又一大难题。因此，生物3D打印尚有许多技术难题需要突破，需要多学科跨领域合作研究。
3. 制造平台
目前应用于3D生物打印的平台主要有 Laser-based (镭射)，Inkjet-based (喷绘)，和 Extrusion-based (微挤出) 三种主要平台。三种平台各有各的优缺点和不同的特殊功能以及对硬件技术的需求. 如何根据需要制造的不同组织器官，合理地选择平台也是3D生物打印能否成功的关键。这三种平台都是已经用于传统打印，或3D制造系统，所以更关键的一点是如何将它们融合于生物制造的体系，使之能发挥最大功效的同时，保持细胞的生物活性和生物材料的物理特性，并且使产品满足医学应用的标准，都是必须克服和不断优化的。
4. 血管系统
还有一点必须重视的是，大部分人体组织和器官都是有血管系统的，需要得到足够的血供才能保持生物活性。然而当前的3D生物打印技术还不完全能制造出具有跟人体血管系统功能相当的替代品，更不用说将血管系统融合进入3D打印的组织。如果没有相应的血管系统，即使能制造出类似的器官替代品，它们也不能长时间存活，因此用于器官移植来救助器官衰竭的病人也只能是幻想。因此，3D生物打印出有血管系统的组织器官，并且能融合于人体整个血液循环系统是能否实现这个行业的最终目标的最大挑战与难题。
3D生物打印走进临床应用的阶梯：“原位生物打印”
现今常规的生物打印技术，主要是“体外打印再移植”的方法。但倘若3D生物打印技术想要真正走进临床 —— 以实现病人体内的组织修复和替换病人的功能器官为终点，现有生物打印技术则存在以下不足：
- 通常是在平面上打印，难以实现实际临床损伤修复需要的不规则形态，且打印物在体外培育后易造成降解和变形；
- 现有生物打印水凝胶材料难以缝合和吻合，需要化学改性才能较好地被粘合，而化学改性和粘合剂也会显著地降低再生效果；
- 打印过程复杂且速度较慢（通常几小时），不仅导致对创伤性时间响应缓慢，降低了再生效果，患者往往也需要二次手术；
- 依赖手术中实时控制及过程灵活性。
为应对上述挑战，最新引起广泛关注的另一种生物打印方式是将生物墨水直接打印到患者体内，即“原位生物打印”，又称“体内生物打印”。
相比于体外生物打印，原位生物打印具有如下优势：
- 医生能够即时进行治疗并实时控制进程，并保障打印物能够精确与损伤处吻合；
- 原位交联能够有效提升打印物与残留组织的结合程度；
- 比起体外培养，人体能够提供更好的细胞再生条件并减少感染；
- 此外，原位打印的灵活性很高，即使没有专业的生物3D打印机，在一些紧急情况下（战场，交通事故等），手动操作或直接注射生物墨水也可以作为替代方案。
圆阳此前官宣联合手术机器人教父联合打造的 “组织修复机器人”，正是瞄准了原位生物打印技术，通过机器人微创手术系统的开发，在人体内直接实现3D组织打印。
通过与手术机器人发明教父、生物材料研究方面的领先创新专家强强联手，该产品目前已申请美国专利并完成了雏形样机。预计于2022-23年实现小动物原位生物打印，并在2024-25年实现大动物原位生物打印。
随着生物3D打印技术领域的日益蓬勃，在未来几年预计会出现更多的生物医学应用。圆阳将致力于与产学研各方一起，共同打造3D生物打印的颠覆、革新与突破之路，将3D生物打印广泛引入临床变为可以触摸的未来！