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摘要：3D生物打印是当前快速成型发展具有前景的领域之一，是融合生物学、材料学、制造学、生命科学为一体的交叉技术。该技术在组织工程和再生医学方面迅速发展，使打印组织器官成为可能。该篇文章对生物打印技术方法分为DBB、EBB、LBB三类进行概述，总结了生物打印的发展现状，介绍了生物打印技术的前沿：多材料打印及4D打印。
关键词：3d打印；生物打印技术方法；多材料打印；4D打印；组织工程
0前言
20世纪末，面对消费者需求日益主体化、个性化和多样化以及全球市场的激烈竞争，工业化国家开始不遗余力地开发先进的制造技术，快速成型制造技术（RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M）应运而生。3D打印技术作为快速成型的主要实现形式，区别于传统的车、磨、刨、铣、削等减材制造工艺，它是利用计算机建模数据对材料进行叠层累加从而生成三维产品，故称之为增材制造，具有设计空间无限、成型时间短、材料利用率高等诸多优点。随着新科技、新材料、新创意的出现，3D打印技术在生活中也发挥着重要作用，被广泛应用于设计、汽车、医疗、建筑、时尚等领域。通常，应用于医疗领域的3D打印被广泛称为生物打印。生物打印（Bioprinting）指将生物材料元素融入3D打印技术，是一个新型快速成型制造研究领域，强调运用组织工程(tissueengineering)和再生医学（regenerativemedicine）[1]制造出合适的组织、器官的替代品，并以此解决人类生命健康的问题。器官损伤治疗常常因为供体不足或不满足患者个性化定制的需求而耽误，体外制造活性组织也成了科研工作者不断追求的目标[1]。创造丢失或功能损害的组织和器官，使其具备正常组织和器官的机构和功能一直是世界难题。生物材料与3D打印机技术的结合使活性组织器官的制造成为可能，目前为止，已经开发了各种3D生物打印技术和系统，研究用于组织和器官的再生或替换的新治疗方法[2]。在本文中，将生物打印技术分为液滴式、挤出式、激光辅助式三类分别进行概述，并在此基础上，介绍了部分打印技术前沿：多材料打印、4D打印，在文章结尾处，做出小结和分析未来的发展趋势。
1生物打印技术
1.1液滴式打印（droplet-basedbioprinting,DBB）
液滴式生物打印机是最传统、目前运用最广泛的一种生物打印技术。液滴式生物打印是利用压电效应(piezoelectric)，热(thermal)，或者气压(pneumatic)将生物墨水分解成液滴状，这些滴液带有一定的方向性和动能在指定路线下连续准确地滴落在平台，见图1。目前，液滴式生物打印技术发展成熟，基于DBB成型技术的形式也有很多种，其中以喷射成型（polyjet）为主的技术应用较为广泛。喷射成型技术在打印时，以超薄层的状态将生物材料一层一层地喷射到构建托盘上，直至部件制作完成。该技术常用的材料有海藻酸、壳聚糖、明胶、Tangoplus系列材料等，其中，因Tangoplus系列材料打印的成型件与硅橡胶相似，具有柔韧度，而被用于打印软体机器人，营造人—机共融性。哈佛大学研究人员正是利用这种特性打印了跳跃机器人的主体部分[3]。这种液滴式的生物打印的液滴直径在最理想的时候可以达到10~60μm，具有高分辨率，高精度，高细胞存活率，设备成本较低，打印速度较快[4]。但是，该技术局限性也十分明显，若使用黏性较高或成纤维状的生物墨水（比如，胶原蛋白），易造成打印头堵塞而影响成型。若使用黏性较低的生物墨水，则不能达到良好的力学性能，在有性能要求下需使用混合打印。这些缺点在一定程度上限制了液滴式打印的发展，因此，解决液滴单元之间的黏合度问题可以扩大液滴式生物打印材料的适用范围，从而有效促进该打印方式的发展。
1.2挤出式打印(extrusion-basedbioprinting,EBB)
挤出式生物打印是利用系统提供连续动力使生物墨水在计算机模型数据控制下按要求沉积，根据供力系统不同，挤出式打印可分为活塞挤出、螺杆挤出、气动挤出技术，见图2。市面上常见的挤出式打印形式主要以熔融沉积技术（FusedDepositionModeling，FDM）为主，该打印方式是由挤出机连续输出材料至喷嘴，喷嘴对其进行加热进而沉积成型。在生物医学工程中，熔融沉积技术常选用聚氨酯（Polyurethane，TPU）、载细胞水凝胶、微载体为材料进行打印。其中TPU丝材被澳大利亚伍伦贡大学采用制作了一种机器人的防生手指，近几年也有相关科研人员基于FDM技术，利用聚己内酯/聚乳酸复合材料植入大鼠模型，发现有明显的组织再生现象。值得提出的是，从研究出了具有三喷头的用于心脏组织和血管的打印技术，到开发出六喷头用于组织器官的打印方式，FDM生物打印的发展一直在前进，这进一步为构建组织医疗提供了可能。挤出式打印的优势是可提供连续动力，不受生物墨水的浓度限制，生物材料选择范围广，可以打印出结构强度较好的组织结构。但打印成本相比于液滴式要高，细胞活性也较液滴式低。
1.3激光辅助打印(Laserbasedbioprinting,LBB)
激光辅助打印是在20世纪90年代末演示活细胞的二维图案的创新方法中萌生出来的。从那之后，激光能量被用于激发活细胞，控制活细胞在空间运动，这为基于三维激光的生物打印（LBB）提供了技术基础。激光辅助生物打印的基本原理是物质的聚合作用（photopolymerization)，简单来说就是生物材料在激光的诱导下成型固化[5]（如图3）。发展至今，激光打印主要有四种形式：（1）直写式激光诱导转移（LaserInducedForwardTransfer，LIFT）。（2）数字激光打印（DigitalLightPrinting，DLP）。（3）激光选区烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）以下主要介绍DLP和SLS两种：
1.3.1数字激光打印
数字激光打印是一种通过控制数字微镜元件DMD，将成型件截面轮廓投影到生物墨水表面固化成型的方法，具有精度高、速度快、造价低等特点。该技术材料是采用光敏型生物墨水，常用的有水凝胶、明胶、透明质酸等。这类材料资源丰富，特点突出，但在生物相容性、机械完整性和仿生性能方面达不到活性细胞和组织的要求。许多研究人员正是基于此开展了大量的科学研究。太原理工大学生物材料表面界面实验室的黄晓波团队[6]对壳聚糖进行三维成型，制造出复杂的水凝胶结构，最终实现了高分辨率、高保真度、良好的生物相容性的特点，为生物打印技术提供更为优质的生物材料。加利福尼亚大学的陈绍琛团队[7]基于DLP技术设计了水凝胶微结构，该水凝胶结构能使包裹在其中的细胞保持活性并稳定分化能力，团队研究的这种结构可用于微创结膜下眼部，为打印材料结构构造创建了更好的平台。
1.3.2激光选区烧结
激光选区烧结是一种采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的技术。用于生物医学的材料主要分为两种：金属基材料和陶瓷材料。其中金属基材料使用较多的是应用于3D打印支架骨整合能力的钛金属和应用于承重入物、牙科植入物、整形外科的钴金属。陶瓷材料主要以磷酸钙CaP和活性硅酸盐玻璃为主，广泛使用在天然骨、牙齿、整形外科和颌面外科的假体领域。此外，在制药领域，因SLS技术具有无支撑和可加工复杂内部结构等优点还常用于打印药物缓释装置。激光选区烧结的一般过程，在这里以SLS制作硅橡胶耳和鼻为例概述。首先，用3D激光扫描仪对标准耳和鼻模型进行逐点逐线逐面扫描，获得三维模型数据。然后，用SLS将硅橡胶颗粒烧结出耳鼻模型，并用高压蒸汽枪冲洗后填充硅橡胶。最终，经过后处理表面涂覆得到我们想要的替代物[8]。该激光辅助打印法因不直接接触细胞组织，具有两大优点：一是不会造成喷头堵塞，且分辨率高。二是打印不需经过流道，不会产生机损伤，对细胞良好，存活率高。但激光式打印设备成本高，维护费用高，打印过程也容易造成污染。
2打印技术前沿
2.1多材料打印
三维打印发展迅速，如今单一材料已不能满足当代社会对产品功能和性能的要求。在生物医学领域，生物打印主要受限于打印非功能化结构材料，无法顺利打印具有多种活性功能的材料。生物医学对三维构建组织迫切需求，在一定程度上促进生物多材料的发展。目前，成果较为显著的有UniversityofMaryland的JohnP.Fisher团队，他们提出了一种创新型的双重生物墨水打印策略，该策略使用不可降解和可生物降解水凝胶的优势，来创建具有长期形状和体积保留的结构。该团队设计了两种墨水：与天然衍生和物理交联的藻酸盐共价连接的聚乙二醇（PEG）的双网络（DN），以及甲基丙烯酸明胶（GelMA）的可生物降解的充满细胞的生物油墨。这种打印方法可以精确地沉积水凝胶纤维，在功能上可以相互补充，并可实现复杂几何形状的多材料打印。另外，A.Menges教授团队[9]利用材料工程和数字处理的组合，使具有连续，高对比度和多方向刚度梯度的纤维素基可调黏弹性材料能够进行基于挤出的多材料增材制造。此类方法的优势是能够以多种方式实现相同的刚度梯度，从而提高了受材料和几何形状的刚性耦合设计限制的可能性。尽管在生物材料研究方面取得了较为可观的进展，但生物材料结构远比人们想象的要复杂，想要充分挖掘并模仿生物性能还有很大的距离。
2.24D打印
4D打印技术最早是在2013年由美国麻省理工学院提出，在2014年引起发达国家的重视。旧概念的4D打印解释为“3D打印+时间”，新概念下的4D打印准确的说是一种使用具有形状记忆的材料，在特定条件下（如：温度，湿度，磁场，酸碱度）按需求自动成型的打印技术[10]。目前，4D打印在生物医学领域的研究也在逐渐深入。生物打印技术要成功打印出组织和器官，其使用材料就必须要实现可打印性、稳定性、生物相容性、机械完整性和仿生性能等。韩国翰林大学生物再生医学研究所的ChanHumPark团队[11]基于投影式光固化研发了一种具有优良生物相容性的4D生物打印系统，并通过有限元分析(FEA)模拟来探索复杂结构中可能发生的变化，最终实现了多组分光固化丝素蛋白(SIL-MA)生物墨水模拟气管组织的三维构建。该研究内容在组织工程及临床应用场景中具有极大的潜在价值。此外，用于移植、修复或替代作用的工程化心脏组织—心肌补片，也在现有技术的发展下取得良好的成果。华盛顿大学的一位教授团队[12]提出了一种利用DLP制备具有高度定向微结构和可调节曲率的4D近红外(NIR)光敏心肌补片的技术，并合成了一种由热响应的形状记忆聚合物组成的4D墨水材料。该光敏心肌补片可根据心脏表面的曲率不同而改变形状，以模拟和重建心肌组织的弯曲拓扑结构，实现无缝集成。4D打印技术的核心是材料，目前用于该技术的材料为形状记忆聚合物和水凝胶，但形状记忆类材料大多变形范围有限，水凝胶的力学性能也较差，无法满足一些个性化的需求，这也让4D打印面临着一定的挑战。随着科研人员对生物墨水的重视和研究，制备出对外界刺激迅速做出反应的多功能、智能生物材料将会成为未来的发展趋势。
3结论与未来展望
在仿生和医疗健康的背景下，生物打印给我们创建了一个新型的技术平台。自生物打印细胞以来，已经取得了较为良好的效果，尤其是生物材料和打印技术，被有效地用于组织工程和再生医学，最终成为组织器官的替代品。生物打印技术要成功打印出具有活性的复杂的组织和器官，并且能根据个体差异做出自动调整生长的效果还有许多的路要走，例如，体外构建组织的宏微纳结构。但挑战与机遇并存，这仍需要完善打印技术，发开出更为优质的生物材料，从而制造出与天然器官相似的结构的目标，尽快解决“坏哪里换哪里”的难题。另外，梯度功能材料和4D打印也渐渐发展为生物打印的焦点，有望提供一个兴奋的新途径。
参考文献：
[1]贺永，高庆，刘安，等.生物3D打印——从形似到神似[J].浙江大学学报（工业版），2019,1(3)
[2]王永青，邓建辉，李特，等.软体机器人3D打印制造技术研究综述[J].机械工程学报，2021,19(15).
[3]KazimK.Moncal,HemanthGudapati，etc.Bioprintertechnology:[J].Additivemanufacturing，2016,13(7).
[4]严淼宁，郭亮，张庆茂，等.激光辅助生物打印（LAB）技术的评述与展望[J].机电工程技术，2019,1(4).
[5]闫志文，李硕峰，李傲，等.3D生物打印技术在组织工程和器官移植中应用的研究进展[J].吉林大学学报(医学版).2019.37(1).
作者:陈珊珊 王肸肸 甘闽 陈肖航 伍俊豪 单位:新余学院机电工程学院
