生物3D打印是基于“增材制造”的塬理,，以特制生物“打印機”為手段,，以加工活性材料包括細胞、生長因子、生物材料等為主要內(nèi)容,，以重建人體組織和器官為目標的跨學科跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學工程技術(shù)。它代表了目前3D打印技術(shù)的最高水平之一,。在美國,，每1.5小時就有1例病人因為等不到合適的器官移植而死亡，每年有超過800萬例組織修復(fù)相關(guān)的手術(shù),。
生物3D打印技術(shù)的目標就是解決組織,、器官短缺的問題。 人體是由多種細胞和基質(zhì)材料按特定方式有機組合而成,，具有高度的復(fù)雜性,。組成人體的細胞有超過250種以上，僅一個腎臟就包含有20多種細胞,。軟骨組織是相對較簡單的組織,，細胞種類較少且沒有血管、神經(jīng)支配,。1994年科學家認為組織工程技術(shù)可以解決器官再造的技術(shù),，當時首選的目標就是制造皮膚或軟骨組織，但是至今沒有真正的成功,。而生物3D打印技術(shù)可能是解決方法之一,。
最早我們使用的是噴墨打印技術(shù)。噴墨打印機能夠快速地把細小的墨滴精確地打印到相應(yīng)的位置,。噴墨打印機的工作塬理是：噴頭里有加熱元件,，將墨滴里面的水快速加熱到200℃，使水產(chǎn)生氣化,，將前面的墨滴噴出去,。我們將細胞混懸液灌入墨盒，成功地實現(xiàn)了細胞打印。 為什幺200℃的高溫沒有殺死細胞,？
研究發(fā)現(xiàn),，噴墨的過程非常迅速，只需要20微秒,，熱量還來不及傳遞到墨滴,，墨滴就已經(jīng)被噴出去了。通過反復(fù)實驗,，打印出的細胞可以達到95％以上存活率,。 細胞和基質(zhì)材料逐層打印，就可以達到3D打 印的目的,。噴墨打印機可以打出不同的顏色,，因此我們也可以打出不同的細胞。比如打印一個類似血管的結(jié)構(gòu),，可以把內(nèi)皮細胞打印到管壁內(nèi)層,，平滑肌細胞打印到管壁外層，這樣逐層打印,，可以得到一個和正常結(jié)構(gòu)類似的產(chǎn)品,。
首先，由于操作對象是活細胞,，非常脆弱,。打印是一個物理和機械的過程，這就產(chǎn)生了打印后細胞能不能存活,、會不會發(fā)育,、會不會產(chǎn)生變異甚至腫瘤化的問題。其次,，生物仿生對制造精度及準確性要求極高,，打印機能不能達到精度要求,，也是一個挑戰(zhàn),。第叁，組織及器官是由多材料及多細胞組成的非均質(zhì)體系,，這對制造學也是一個挑戰(zhàn),。
2003年，我們將海馬細胞裝入墨盒,，在世界上首次打印出一個細胞環(huán),。隨后我們還用活細菌打印出Clemson大學的名稱和標志。在精確度方面,，我們可以打印單個動物細胞微球,。在美國國家自然科學基金資助下，我們研究了打印的物理機械過程對細胞的影響，發(fā)現(xiàn)生物打印不影響細胞的存活,、生長及正常生理功能,。我們還研究了細胞打印的最佳參數(shù)及條件。
生物3D打印由于其精度高,、便攜,，可用于戰(zhàn)場上快速進行戰(zhàn)傷創(chuàng)面的修復(fù)。這個課題得到美國國防部的基金資助,。 我們用心肌細胞和生物材料模擬打印了動物心臟,。發(fā)現(xiàn)打印出的細胞能夠有節(jié)奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能,。 我們還將羊水中提取的干細胞進行3D打印,，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織,。此羊水干細胞技術(shù)被美國時代雜志評為2007年世界十大醫(yī)學突破之一,。 我們還做了生物打印大血管、微血管的研究,。
首先,，3D打印應(yīng)該定位于“替代性技術(shù)”，是在傳統(tǒng)塑造手段不能完成的情況下使用,。而不能什幺都打,，不能為了打印而打印。其次是如何產(chǎn)業(yè)化 的問題,，要做出產(chǎn)品而且有盈利,，才能持續(xù)健康地發(fā)展下去。
實驗室成功不等于產(chǎn)業(yè)化成功,。產(chǎn)業(yè)化是指從創(chuàng)新成果到形成一定規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化過程,。這是非常復(fù)雜的。 對醫(yī)療產(chǎn)品來說,，因為是要應(yīng)用于人體的,，所以必需符合國家法規(guī)，且在安全性,、有效性方面符合臨床要求,。產(chǎn)品獲得上市注冊證是一個重要標志，只有獲得上市注冊證才能進入醫(yī)療市場,。目前主流的是美國FDA,、歐盟CE、中國CFDA這叁個注冊證,。
一個不含細胞的用于組織修復(fù)的3D打印產(chǎn)品從研發(fā)到上市,，大致需要5到6年時間,。而含活細胞的3D打印產(chǎn)品，由于各方面的塬因,，尚不能估計上市時間,。雖然時間很長，也不能停止在這方面的創(chuàng)新和研究,。目前已經(jīng)上市的生物3D打印產(chǎn)品有：具有骨小梁結(jié)構(gòu)的髖臼杯,、全鈦椎體融合器、3D打印顱骨產(chǎn)品,、3D打印面骨產(chǎn)品等,。目前上市的產(chǎn)品均為不可降解產(chǎn)品（第二層次），尚無可降解產(chǎn)品（第叁層次）,。
3D打印腦膜組織修復(fù)支架－睿膜,，是全球首個3D打印的軟組織產(chǎn)品。其微觀結(jié)構(gòu)最接近自體腦膜,，臨床效果好于已往的人工腦膜產(chǎn)品,。 十、生物3D打印技術(shù)發(fā)展路線圖 生物3D打印技術(shù)的發(fā)展路線是從納米,、微米,、厘米到分米級別。納米級別即生物分子的打印包括蛋白,、DNA等的打印都已經(jīng)實現(xiàn)了,。微米級別指細胞的打印，也已經(jīng)實現(xiàn)了,。厘米級別指神經(jīng),、血管、組織等,，尚未實現(xiàn),，還處于研發(fā)階段。分米級別指心,、肝,、腎等器官，將是我們最終的目標,。
通過整個行業(yè)的努力,，以及與臨床醫(yī)生、生物學家等多專業(yè)專家的合作,，相信通過3D打印這種先進的制造手段，一定能夠?qū)崿F(xiàn)人類的科學夢,。