通过3D生物打印制造出的器官、组织和仿生产品，不仅可用于器官替换，也可用于药物筛选或作为器官发育及病变的体外模型。
在2020年发表于Asian Journal of Pharmaceutical Sciences的一篇综述“Development of 3D bioprinting: From printing methods to biomedicalapplications”中，浙江大学贺永教授按照打印原理不同，将3D生物打印分为挤出式、液滴式、光固化式三类。简单来说，挤出式即是用过喷嘴挤出连续细丝状的生物墨水，然后将之沉积在接收底物上堆叠形成最终所需的结构。
图1 挤出式3D生物打印（图源：[1]）
液滴式则是将独立离散地液滴作为基本单元进行堆叠，相比于挤出式具有更高的分辨率。
图2液滴式3D生物打印（图源：[1]）
光固化生物打印则是利用光敏聚合物在光照下发生光聚合的特性进行打印的方法。通过精准控制光照，光固化生物打印能够以相较于其他生物打印方法更高的分辨率和打印速度进行打印，且不必担心喷嘴堵塞，或剪切应力影响细胞活力。
根据光扫描方式的不同，光固化式生物打印可进一步分为立体光刻（stereolithography，SLA）和数字光处理（digital light processing，DLP）。不同于SLA的逐点固化，DLP是一次性固化一个完整平面，对于设备结构的要求更简单，打印速度更快，成型精度更高，均一性更好，因此备受学术界的关注。
具体来说，DLP是3D模型的2D横截面投影信号经过数字处理后，在数字微镜元件（Digtial Micromirror Devices，DMD）上形成掩膜，当紫外光透过DMD形成二维图案，就能与溶解的自由基光引发剂相互作用使生物墨水固化成特定图案，移动打印平台让未固化的生物墨水填充下一个截面，则可以重复该过程，“逐层”将3D结构打印出来。
图3 数字光处理3D生物打印（图源：[1]）
然而，3D生物打印技术还有很大进步空间。天然人体组织的细胞密度通常为每毫升1到30亿个细胞，并且具有复杂的3D结构和微米级的精细特征。如要达到较高的细胞密度，对于挤压式打印，则需要使用口径更大的喷嘴来减少细胞在挤压过程中受到的剪切应力，否则将会影响细胞活力，这就导致了分辨率的降低。对于光固化式打印，较高的细胞密度将引起光散射效应，同样限制了分辨率的提高。因此，在3D生物打印技术中，存在着细胞密度（≥2000万个细胞/ml）-细胞活力（≥80%）-分辨率（≤50μm）的三难困境。
图4 密度-活力-分辨率三难困境（图源：[2]）
此外，脉管系统网络对于组织和器官营养和气体的交换至关重要，能否在3D工程组织内制造出脉管系统网络，决定了3D工程组织的厚度极限，乃至能否生成可移植器官，然而，上述三难困境阻碍了该脉管系统网络结构的实现。
近日，加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员取得重大进展，解决了3D生物打印的三难困境，所用技术同时满足了高细胞密度、高细胞活力和精细制造分辨率三大关键要求。该研究结果以“High cell density and high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularized tissues”为题发表于Science Advances。
图5 研究成果（图源：[2]）
为了解决光固化式打印中的光散射问题，研究人员修改了生物墨水的配方，使用了一种名为碘克沙醇的造影剂，使得生物墨水的折射率与细胞质的折射率相匹配，减少封装细胞引起的光散射至原有的1/10，从而实现打印的高细胞密度和高分辨率。
结果表明，生物墨水添加碘克沙醇后，并未引起细胞活力、增殖或表型的统计学显著变化。使用折射率匹配的甲基丙烯酸明胶生物墨水，实现了50μm特征尺寸、1亿个细胞/ml的精细打印。
图6 折射率匹配后的高细胞密度生物墨水能够达到较高的分辨率（图源：[2]）
研究人员还利用该改良的生物墨水打印了一个厚度较大的（17mm x 11mm x 3.6mm）预血管化组织结构，其中的中空血管通道的直径范围为250至600μm。经过14天的灌注培养后，观察到血管腔的内皮化和血管生成，且组织中66%的细胞存活，证明细胞在这种厚度较大的组织中仍然保有很高的活力，3D打印出的脉管系统增强了厚组织的生存能力，避免了坏死。
研究的通讯作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程系教授Shaochen Chen表示，研究团队将继续优化材料系统和功能性厚组织制造的生物打印参数，以完成下一步精确结构、高细胞密度体外组织模型的开发，提高组织学和功能的重建水平，最终实现人体的器官移植和替换。
题图来源：加州大学圣地亚哥分校，仅用于学术交流
参考资料：
[1]Gu Z, Fu J, Lin H, et al. Development of 3D bioprinting: From printing methods to biomedical applications. Asian J Pharm Sci. 2020 Sep;15(5):529-557. doi: 10.1016/j.ajps.2019.11.003.
[2]You S, Xiang Y, Hwang HH, et al. High cell density and high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularized tissues. Sci Adv. 2023 Feb 22;9(8):eade7923. doi: 10.1126/sciadv.ade7923.
