探究生命科学中的细胞3D打印

王鸿彬

摘 要：3D打印是一种通过堆叠塑料、金属等材料生产制作三维物体的技术手段。与之相反，传统的油墨打印机只能在二维的纸质平面上实现打印功能。3D打印技术在复杂零件制造、模具设计和新产品开发方面有很多的应用。近些年，3D打印技术逐渐与生命科学相结合，并取得了很多重要的进展。本文将探究生命科学中的细胞3D打印技术，讨论其基本原理、重要进展以及发展趋势，并分析它的技术困难，最后对细胞3D打印技术做一个总结和展望。

关键词：3D打印；细胞；生命科学；进展

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0192-02

3D打印技术是近20年开始兴起的一项新興制造技术。借助计算机辅助设计或计算机断层扫描的分析，3D打印机可以将物体的结构精细化和数字化。在将结构文件分层为二维切片数据之后，3D打印机会按照分层制造、逐层叠加的方式，最终得到任意复杂形状的三维产品。由于3D打印技术具有精确、快速、直接等特点，因此它在生命科学与生物材料等领域具有独特的优势。细胞3D打印就是这方面一个重要的例子，下面我们就来做具体介绍。

1 细胞3D打印

1.1 细胞3D打印原理

细胞3D打印是指利用组织器官的三维模型数据，控制3D打印机定位装配活细胞并制造生物组织和器官的技术。细胞3D打印机一般有两个打印头：一个装载生物活体细胞，这被称为生物墨水；另一个装载凝胶物质，打印供细胞生长的支架，这被称为生物纸。通过交替打印生物墨水和生物纸，细胞3D打印机可以实现生物细胞的重组、融合，最终形成具有生命功能的生物组织。

1.2 细胞3D打印常见技术

由于细胞3D打印可以在微观尺度上控制细胞的排列，并可以调节细胞间的相互作用，因此对于生物组织的研究具有重要意义。科学研究发现：细胞可以通过扩散自组织形成具有功能特性的生命结构。基于这个理论基础，目前发展出不同类型的细胞3D打印技术，包括细胞微滴沉积技术、细胞琼脂基共混技术、细胞水凝胶共混技术等等。这些3D打印的组织细胞功能性好、存活率高、寿命长，因此为组织工程、癌细胞和干细胞等生命科学领域的研究提供了新的思路。

2 细胞3D打印的重要进展

2.1 细胞3D修复

将不同种类的生物细胞应用到细胞3D打印技术中，就可以实现细胞或组织的再生和修复。例如，以软骨细胞溶液为生物墨水，在紫外光条件下可以实现软骨破损部位的原位打印，这样成型的细胞分布均匀，且与周围的组织结合紧密。另外，利用喷墨打印的方法，可以很好地混合皮肤细胞、胶原蛋白和凝血酶，从而促进受损皮肤细胞的3D修复。特别的，在光刻技术的帮助下，细胞3D打印机还可以控制生物组织的形态与结构，实现破损部位的精确修复。有关细胞3D修复的技术现在已经相当成熟，并在医疗领域发挥越来越重要的作用。

2.2 癌细胞3D研究

癌症是困扰人类的一大难题。科学研究表明：在三维环境中培养的细胞，其形态、功能、基因表达等生物特性与二维培养的细胞明显不同。对于癌细胞来说，某些抗癌药物只能在三维培养环境下对癌细胞起作用，在二维的环境下就会完全失效。因此，构建与人类体内环境相似的三维细胞培养模型对于癌细胞的研究显得尤为重要。利用细胞3D打印技术，科学家可以将癌细胞在体外定位装配成三维的类肿瘤组织模型。由于细胞3D打印技术对于癌细胞的损伤较小，因此打印的癌细胞生物活性好、存活率高，方便进行各种研究。通过与二维平面培养的癌细胞作比较，科学家发现三维培养的癌细胞在细胞形态、增殖速度、抗药性、基因表达等方面存在显著的差异。因此，细胞3D打印技术对于构建癌细胞的体外三维模型、癌细胞的病理机制以及癌细胞的药物研究都有着重要的意义。

2.3 器官3D打印

很多器官功能衰竭的病人，由于器官来源不足、排异反应等原因，无法进行器官移植手术。器官3D打印技术的问世，有可能解决这个难题。相比于细胞3D打印，器官3D打印具有更高的难度。一个器官往往由很多不同种类的细胞组织所构成，要实现各个细胞组织之间的协同工作是困难的，因此相关领域的研究尚处于起步阶段。目前，器官3D打印的进展主要集中在人造血管、人造骨骼、人造肝脏等方面。实验上主要采用的是喷墨打印的方法，将不同类型的细胞存放在不同的打印头上，用来满足培育不同生物器官的需要。最近，有实验组将从活体组织中提取的肾脏细胞打印在培养皿上进行培育，成功构建了肾脏的功能组织。细胞3D打印的重要目标就是实现活体的器官打印，一旦成功其价值将不可估量。

3 细胞3D打印的发展趋势

随着打印技术的完善和生命科学的进一步发展，未来细胞3D打印有可能在以下两个方面取得颠覆性的突破。

3.1 3D打印干细胞

干细胞是生物体内一类重要的细胞。相比于其它的功能细胞，它并未充分分化，且发育尚不成熟。在一定条件下，干细胞可以通过不断复制再生为各种组织器官，甚至能发育成一个完整的生物个体。因此，有关3D打印干细胞的研究为3D打印高级生物学模型提供了必要的基础。基于细胞3D打印技术，利用胚胎干细胞、诱导性多能干细胞打印胰脏、心脏、肺等大型功能器官成为当前的一个研究热点。干细胞的3D打印为器官的病理学研究、再生学研究、药物学研究提供了新的启示，并可能在相关领域带来深刻的变革。

3.2 3D打印生命系统

细胞3D打印的最高层级就是实现体外生命系统的3D打印。细胞3D打印、组织3D打印、器官3D打印都可以看成是为实现这一宏伟目标所做的技术铺垫。目前，科学家主要利用动物进行药物试验，但动物的生理系统与人类存在明显的差异。一旦实现体外生命系统的3D打印，科学家就可以单独培养人体的各个生理系统进行药物试验。这样可以更好地模拟人体的真实情况，提高药物测试的准确性并缩短药物开发的周期。 3D打印生命系统还在生物编码、仿生生物学、疾病研究等领域有着重要的应用价值，因此也成为世界各国开展广泛竞争的一个领域。

4 细胞3D打印的技术困难

虽然细胞3D打印技术在近几年发展很快，但总体来说还处于起步阶段，还有很多技术难关需要突破。在利用喷墨式打印机打印生物细胞时，细胞会在打印过程中承受热与机械应力，这会影响细胞的生物活性，限制细胞的生长。另外，细胞溶液还容易堵塞喷头，因此也会影响细胞的打印效果。在打印复杂的细胞系统时，细胞间会不断交换生物信号，调控细胞间的信号和相互作用对于细胞3D打印也尤为重要。在进一步实现器官的3D打印时，由于生物的组织器官结构复杂，不同类型细胞的功能具有多样性，因此在控制细胞团簇的三维输送、精确定位、排列组装、生物制造等过程中，也可能影响生物器官的功能。未来相关的科学研究会在打印技术、细胞培育、生物材料方面力求突破，争取早日解决这些技术难题。

5 结语

细胞3D打印技术在生命科学、材料学、分子科学等多个领域具有良好的发展前景。随着打印性能、精确度以及细胞材料等方面的不断完善，它的应用范围会越来越广。细胞3D打印还在生物医疗、器官移植等领域有着潜在的应用，因此具有重大的社会价值。目前细胞3D打印技术虽然在细胞组织培育、修复、人造器官等方面取得了阶段性的进展，但离大规模的临床应用还有一段距离。总而言之，细胞3D打印技术为生命科学和生物医学提供了重要的研究手段，也為细胞科学开辟了一个新的发展方向。

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