生物3D打印是基于“增材制造”的塬理，以特制生物“打印機(jī)”為手段，以加工活性材料包括細(xì)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(biāo)的跨學(xué)科跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)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(biāo)就是解決組織、器官短缺的問題。 人體是由多種細(xì)胞和基質(zhì)材料按特定方式有機(jī)組合而成，具有高度的復(fù)雜性。組成人體的細(xì)胞有超過250種以上，僅一個腎臟就包含有20多種細(xì)胞。軟骨組織是相對較簡單的組織，細(xì)胞種類較少且沒有血管、神經(jīng)支配。1994年科學(xué)家認(rèn)為組織工程技術(shù)可以解決器官再造的技術(shù)，當(dāng)時首選的目標(biāo)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(jī)能夠快速地把細(xì)小的墨滴精確地打印到相應(yīng)的位置。噴墨打印機(jī)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(xì)胞混懸液灌入墨盒，成功地實現(xiàn)了細(xì)胞打印。 為什幺200℃的高溫沒有殺死細(xì)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(xì)胞可以達(dá)到95％以上存活率。 細(xì)胞和基質(zhì)材料逐層打印，就可以達(dá)到3D打 印的目的。噴墨打印機(jī)可以打出不同的顏色，因此我們也可以打出不同的細(xì)胞。比如打印一個類似血管的結(jié)構(gòu)，可以把內(nèi)皮細(xì)胞打印到管壁內(nèi)層，平滑肌細(xì)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(xì)胞，非常脆弱。打印是一個物理和機(jī)械的過程，這就產(chǎn)生了打印后細(xì)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(zhǔn)確性要求極高，打印機(jī)能不能達(dá)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(xì)胞組成的非均質(zhì)體系，這對制造學(xué)也是一個挑戰(zhàn)。
2003年，我們將海馬細(xì)胞裝入墨盒，在世界上首次打印出一個細(xì)胞環(huán)。隨后我們還用活細(xì)菌打印出Clemson大學(xué)的名稱和標(biāo)志。在精確度方面，我們可以打印單個動物細(xì)胞微球。在美國國家自然科學(xué)基金資助下，我們研究了打印的物理機(jī)械過程對細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)生物打印不影響細(xì)胞的存活、生長及正常生理功能。我們還研究了細(xì)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(jìn)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(xì)胞和生物材料模擬打印了動物心臟。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)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(xì)胞進(jìn)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(xì)胞技術(shù)被美國時代雜志評為2007年世界十大醫(yī)學(xué)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(biāo)志，只有獲得上市注冊證才能進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)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(biāo)。
通過整個行業(yè)的努力，以及與臨床醫(yī)生、生物學(xué)家等多專業(yè)專家的合作，相信通過3D打印這種先進(jìn)的制造手段，一定能夠?qū)崿F(xiàn)人類的科學(xué)夢。