醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的歷史始于上世紀(jì)80年代的醫(yī)療模型制造，隨著3D打印技術(shù)和醫(yī)用3D打印材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)已被應(yīng)用義齒加工和骨科植入物的直接制造領(lǐng)域。下一階段，3D打印技術(shù)的應(yīng)用是與生命科學(xué)、生物工程技術(shù)相結(jié)合，制造具有生物活性的組織和器官。

為器官再生打下基礎(chǔ)  

器官生物芯片定制

器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微觀的人體組織，它們的作用是模仿人體組織的功能。器官生物芯片在進(jìn)行生物學(xué)研究和藥物篩選實(shí)驗(yàn)時(shí)往往比二維的細(xì)胞培養(yǎng)方式更加有效。

美國(guó)康涅狄格大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing(通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行器官生物芯片的一步制造)一文中描述到，傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術(shù)是勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)，不利于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的快速迭代和快速制造。將3D打印技術(shù)用于制造微流控生物芯片則可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)微型流體通道的快速制造，有利于設(shè)計(jì)的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨學(xué)科性，并加速創(chuàng)新。

未來(lái)，先進(jìn)的生物3D打印機(jī)不僅可以打印微流控平臺(tái)，還可以同時(shí)在微流控平臺(tái)中直接打印出定制化的微觀人體組織。

皮膚制造

生物3D打印的皮膚有望用于治療燒傷或者是有慢性創(chuàng)口的患者。 新加坡南洋理工大學(xué)以及新加坡科技研究局的科研人員在Skin Bioprinting: Impending Reality or Fantasy? 一文中寫(xiě)到，一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)水凝膠和細(xì)胞3D打印的人工皮膚，在經(jīng)過(guò)10天的培養(yǎng)之后已產(chǎn)生細(xì)胞間的連接以及正常的細(xì)胞生物標(biāo)記。在另一項(xiàng)研究中，研究人員已能夠在一層皮膚細(xì)胞中培養(yǎng)出血管。生物3D打印技術(shù)已可以制造出具有完整功能的人造皮膚，該技術(shù)在一些關(guān)鍵的皮膚組織工程學(xué)方面的潛力已體現(xiàn)出來(lái)，包括構(gòu)建色素和皮膚老化模型、制造血管網(wǎng)絡(luò)和毛囊。

阿姆斯特丹自由大學(xué)醫(yī)學(xué)中心等專家在 Advances in Bioprinting Technologies for Craniofacial Reconstruction 一文中寫(xiě)到，盡管生物打印皮膚技術(shù)的臨床應(yīng)用仍處在非常早期的階段，但一些有價(jià)值的臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。例如，維克森林大學(xué)通過(guò)inkjet 噴墨生物3D打印技術(shù)制造皮膚，在使用該皮膚對(duì)小鼠缺損的皮膚進(jìn)行原位修復(fù)時(shí)取得了良好的細(xì)胞存活和皮膚修復(fù)結(jié)果。

面部重建

人體的顱面部區(qū)域由幾種復(fù)雜的組織構(gòu)成，包括：骨、軟骨、肌肉、韌帶和皮膚，以及血管和神經(jīng)等。如果組織出現(xiàn)創(chuàng)傷或者具有先天性缺陷則會(huì)影響到人的容貌。在過(guò)去的幾十年中，這種顱面部缺損的重建技術(shù)一直在發(fā)展，例如，從截取人體其他部位的骨骼進(jìn)行下頜骨修復(fù)，發(fā)展到使用3D打印的鈦合金定制化植入物進(jìn)行下頜骨重建。盡管使用現(xiàn)有的技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了面部重建的治療目的，但由于植入物的使用壽命以及可能發(fā)生的感染等因素，顱面部修復(fù)技術(shù)并沒(méi)有停止發(fā)展的腳步，而生物3D打印技術(shù)和組織工程學(xué)正是發(fā)展方向之一。

阿姆斯特丹自由大學(xué)醫(yī)學(xué)中心等專家在 Advances in Bioprinting Technologies for Craniofacial Reconstruction 一文中指出，通過(guò)微擠壓成形3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者面部缺損的解剖結(jié)構(gòu)打印出定制化的支架，例如眼眶骨缺損修復(fù)支架。在支架植入面部之前，人體細(xì)胞被 “種”到支架上，在生長(zhǎng)因子或機(jī)械刺激下形成細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞外基質(zhì)為細(xì)胞的生存及活動(dòng)提供適宜的場(chǎng)所，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響細(xì)胞的形狀、代謝、功能、遷移、增殖和分化。微擠壓成形3D打印技術(shù)將與干細(xì)胞技術(shù)相結(jié)合制造出可植入人體的組織工程支架,從而進(jìn)行顱面部缺損組織的再生修復(fù)，包括修復(fù)對(duì)面部形狀起到支撐作用的骨和軟骨。

插入式血管

麻省理工學(xué)院及哈佛大學(xué)的生物專家綜述文章Vascularization and Angiogenesis in Tissue Engineering: Beyond Creating Static Networks 中描述到，在人造組織內(nèi)生成血管對(duì)于移植后確保組織存活及維持器官功能是必要的。然而，制造帶血管網(wǎng)絡(luò)的組織和器官，并在植入后可直接與人體動(dòng)脈或靜脈相連接是一大挑戰(zhàn)。

據(jù)了解，2016年哈佛大學(xué)在此領(lǐng)域獲得突破，可以打印出帶血管的組織，該組織可維持生物學(xué)功能，并可以存活超過(guò)六個(gè)星期。哈佛大學(xué)的研究人員在整個(gè)打印過(guò)程中使用了三種生物墨水。其中第一種墨水含有細(xì)胞外基質(zhì)，這是一種由水、蛋白質(zhì)和碳水化合物構(gòu)成的復(fù)雜混合物，用于連接每個(gè)細(xì)胞，從而形成一個(gè)組織。第二種墨水包含細(xì)胞外基質(zhì)和干細(xì)胞。第三種用于打印血管，這種墨水在冷卻過(guò)程中融化，所以研究人員可以從冷卻的物質(zhì)中將墨水抽出來(lái)，并保留空心管 。

研究人員將包含細(xì)胞外基質(zhì)的墨水填充進(jìn)模具。最終培養(yǎng)出內(nèi)部充滿毛細(xì)血管的人工組織。研究人員通過(guò)硅膠模具兩端的出入口向該組織輸入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以保證細(xì)胞存活。人工血管將通過(guò)將細(xì)胞生長(zhǎng)因子運(yùn)送至整個(gè)人工組織，促進(jìn)干細(xì)胞的定向分化，從而形成更厚的組織。

在制藥中的應(yīng)用

藥物篩選

我們?cè)谇懊嫣岬搅松?D打印技術(shù)將可以用于器官生物芯片的定制化制造。定制化器官芯片的其中一個(gè)重要作用就是用于藥物篩選。

新藥的研發(fā)成功率是非常低的，據(jù)FDA 統(tǒng)計(jì)94%的新藥研發(fā)會(huì)在進(jìn)入到臨床實(shí)驗(yàn)階段時(shí)失敗。出現(xiàn)在這種結(jié)果的部分原因是臨床前的實(shí)驗(yàn)篩選不充分，相比二維的人工培養(yǎng)組織，三維組織可以更有效的模擬人體組織結(jié)構(gòu)、功能和人體組織對(duì)藥物的反應(yīng)。通過(guò)三維組織進(jìn)行藥物篩選，能夠得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。生物3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜3D人體組織結(jié)構(gòu)方面具有潛力。微流控系統(tǒng)可以為3D 組織提供營(yíng)養(yǎng)、氧氣和生長(zhǎng)因子。Bhise等人研發(fā)的肝臟芯片，是通過(guò)在微流控芯片上進(jìn)行生物打印制造的，這個(gè)肝臟組織模型可用于藥物篩選。