3D打印技术：未来生物医学领域的新曙光，引领人类社会走向新纪元

引言

如果说打印这一技术的诞生，意味着科技领域给人类社会知识和信息的传递提供了一种更为高效的传播方式。
那么，21世纪以来诞生的3D打印技术则是科技领域带给社会各个领域的一份厚礼，开辟了人类社会制造行业和生产领域的新纪元，也为生物医学领域注入了更加新鲜活泼的血液。

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从某种程度上而言，3D打印技术就是“无限可能”的代名词。
3D打印技术的问世可谓是一鸣惊人，“3D打印”这个名词也随着这一项技术的问世而变得闻名遐迩、掷地有声，即使很多人对这一项技术并不了解，也不明白这一项技术为何会变得如此家喻户晓，也对这个名词耳熟能详，甚至还对这一项技术所做出的贡献略知一二。
那么，什么是3D打印技术呢？
3D打印技术与传统打印技术最大的区别就在于打印的方式和材料的选择。
3D打印技术需要依靠数字模型文件，凭借其作为基础，用计算机事先建立好需要打印出的物品的数字模型，即大家所说的“建模”。

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设计好的三维模型不仅仅包括物品的形状、大小、色彩，还包括其比例、结构、内部构造等。
之后，将立体模型分区切片成多个不同的截面，以便指导打印机逐层打印。3D打印技术与传统平面打印的方式大相径庭，采取逐层打印的方式来构造立体的物品，这也就是这项技术名字的由来。
3D打印技术对于材料的选择十分的苛刻，需要使用具有可粘合性的材料作为“墨水”，例如树脂、尼龙、石膏材料、粉末状的金属或塑料材料等。
目前，3D打印技术的应用领域十分广泛，在航空航天、海军舰艇、房屋建筑、汽车制造、电子工业等多个高精尖领域展露锋芒，就连与人们日常生活息息相关的生物医学领域也占据着首屈一指的地位。

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一、生物3D打印技术的发展：未来生物医学领域的敲门砖，对抗重大疾病的新秘钥

生物3D打印是以细胞或生物材料为打印墨水通过增材制造方法按仿生形态、生物体功能、细胞微环境等要求打印出具有复杂结构和生物功能的生物三维结构。
从1995年至今，生物3D打印技术经历四个发展阶段，日趋成熟。
第一个发展阶段，可称为生物3D打印技术的初级阶段。这一阶段的生物3D打印技术使用的材料不具备生物相容性，不能直接用于人体的疾病治疗或是器官更换，只能用于制造医疗器械、手术辅助模型。
复旦大学附属中山医院就曾利用3D打印技术构建出了实体三维模型，辅助完成了经导管主动脉瓣置换手术。
生物3D打印技术发展到第二阶段就选用了具有生物相容性但不可降解的材料，制造出了医用永久性植入物，例如假肢、假耳移植物、心脏支架等。

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世界范围内首次完成的胛带不定形骨重建手术的成功，就是来自于利用钛铝合金为“墨水”并通过3D打印制造出与病人锁骨和肩胛骨病损部位完全一致的假体。
第三阶段相较于第二阶段而言，选择的材料不仅兼顾了生物相容性和可降解性，而且在提高安全性的同时，技术方面也成熟了许多，可以打印出骨、皮肤等组织工程支架，促进人体组织的再生与修复。
广州迈普公司研发出的可吸收硬脑膜补片就是一个显著的成功案例。可吸收硬脑膜补片以聚乳酸为打印材料的，最终可在人体内降解成二氧化碳和水，不会在体内残留任何异物。
生物3D打印技术的第四阶段就具有里程碑式的意义，是生物3D打印技术发展历史突破性的进展。

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第四阶段的生物3D打印技术以活细胞、蛋白及其他细胞外基质为材料，打印出的产品能够具有生物活性，这也就是为什么第四阶段能够成为生物3D打印技术最具有历史意义的一个阶段的主要原因。
换而言之，在不久的将来，现代3D打印就可以打印出具有生物活性的体外仿生结构体，可以用于制造人体组织、器官、肿瘤模型等，对于器官移植、机体康复具有重大意义。
2019年，以色列科学家运用人体的脂肪组织打印出了一个结构较为完整的心脏，具备细胞、血管、心室和心房。
这项成就的实现意味着生物3D打印技术取得了历史性的突破，也让人们看到了生物3D打印技术在未来制造出可用于移植的器官的巨大可能性。

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在生物3D打印技术的研究过程中，材料的选择与使用格外考究。
随着生物3D打印技术的研究日益发展，能够选用作为“墨水”的材料也随之日益丰富，与此同时，为了配合材料，生物3D打印技术的种类也随之丰富，包括光固化生物3D打印、喷墨生物3D打印、挤出式生物3D打印、激光直写生物3D打印以及电纺丝生物3D打印。
不同的生物3D打印技术也有各自的优缺点，能够很好地适应不同的材料和产品的要求。
其中，电纺丝生物3D打印制造出的产品成型分辨率最高，甚至可以小于1微米，最适合制造高精度的支架，但是这项技术不仅打印成本高，打印系统复杂，而且不可以直接负载细胞打印。

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除电纺丝生物3D打印以外，其余的生物3D打印技术能够直接负载的细胞也有限，因此，对于能够负载细胞、辅助打印的交联剂的研究也是生物3D打印技术前进路上意味深远的挑战之一。
二、生物3D打印技术的应用：生物医学领域的历史新丰碑，器官移植需要突破的重要关口

3D打印技术最为显著的两大优点就是对结构的可控设计和对材料的高利用率，这也就使得生物3D打印技术在生物材料的个性化定制及加工方面具有得天独厚的优势。
然而，大部分能够作为打印材料的生物墨水都不能直接打印，而是需要交联剂来负载细胞。在众多种类的交联剂中，海藻酸钠以其得天独厚的优势脱颖而出。

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海藻酸钠是当下最为热门的支架材料之一，拥有性质稳定、生物相容性良好和可降解性高的优点，与其他材料复合后，能够具备优异的力学性能和降解可控性。
同时，将海藻酸溶液和离子交联剂（如二价阳离子 Ca2+ 、Cu2+ 、Sr2+ 、Mn2+ 等）混合，可以制备出海藻酸钠溶液。
海藻酸钠水凝胶拥有三维网状结构，可以存储大量水分，并且多孔结构有助于营养物质和代谢废物的运输，为细胞生长和粘附提供了舒适的立体空间。
鉴于以上种种优点，海藻酸钠在骨组织工程、血管组织工程、其他人体器官的制造以及药物筛选等方面都具有着极其广泛的应用。

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临床上能够用于骨修复的材料一直处于供小于求的状态。目前临床上所使用的的治疗方案大致分为两种，一种是自体骨移植，另一种则是异体骨移植。
自体骨取自患者自身，不仅取骨量有限，而且还有可能增大患者的痛苦；异体骨移植则由于免疫系统的排他反应，一直以来存在着风险。
而3D打印骨组织技术工程的出现，则为寻找风险较低、生物相容性良好的人工骨组织修复材料开拓了一条新的思路。
其中，软骨组织工程的研究也取得了巨大的进展。软骨结构分为软骨层、钙化层、下骨层三层，它们相互之间在物理性质和化学成分上都具有显著的差异性。

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因此，软骨组织修复材料的设计必须能够高度还原软骨组织的结构，并且能够诱导干细胞定向分化为软骨和骨细胞，在缺损的地方形成一个完整的软骨组织。
目前，国际上已经通过物理交联、光交联和化学交联三种交联方法，成功制备了一种具有三层结构的梯度支架。
该梯度支架能够精确地模仿软骨、钙化软骨和软骨下骨的结构，在尺寸稳定性、内部结构、力学性能、溶胀和降解性能上，都具有极佳的配适度，能够达到最佳的体内修复效果。
血管组织工程对于治疗全球死亡人数最高的疾病——冠心病，具有非同凡响的意义。运用3D打印技术制造人工血管需要合适的水凝胶材料和三维细胞培养技术，这也是当前研究人造血管所需突破的重难点。
目前，已经出现以血管脱细胞外基质血管与海藻酸钠混合制备的复合生物墨水为材料，采用三维同轴打印技术构建出的载药细胞型生物血管（BBVs），能够有效促进内皮祖细胞的存活和分化，在治疗缺血性疾病、提高新生血管率、挽救缺血肢体等方面具有十分可观的前景。

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三、生物3D打印技术的展望：生物医学领域实现突破的新思路，解开未来之谜的新锦囊

3D打印制造人体器官则是属于生物3D打印技术发展到第四阶段的最新产物，也是未来器官移植困难突破的首要关口和领航风帆。
这项工程结合了生物学、材料学、计算机科学等诸多学科，旨在制造出适用于人体的、性能稳定、安全性良好的组织和器官，以缓解目前器官移植中面临的供体严重缺乏的窘境。
目前的器官打印研究尚且停留在初级阶段。虽然对软骨、皮肤等组织的打印已经取得成功，但对于肝、心脏、肾等功能器官的打印还存在难以避免的技术瓶颈。
受限于对微米尺度的血管一直存在的打印难题，目前所打印出的功能性器官无法通过血液循环，将氧气和营养成分有效输送到组织内，并且将代谢废物及时排出。

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因此，想要逾越获取种子细胞和实现血管化这两大障碍，还需要结合微流控技术、器官芯片等继续探索。
而生物3D打印技术在药物筛选中的应用发挥着巨大的作用。受到生活压力、个人习惯、社会环境等因素的影响，癌症这一极为复杂的疾病成为了21世纪以来人类面临的最大难题之一。随着生物3D打印技术的日趋完善，三维细胞培养技术逐渐发展起来，极大地推动了体外药物筛选模型的构建。
3DCC技术，不仅可以弥补单层细胞培养的缺陷，还可以最大程度地模拟细胞在体内的微环境和物质结构基础，大大提升了细胞培养的直观性和条件可控制性，为治疗癌症的药物筛选和风险排除创造了有利条件。
2014年，清华大学孙伟教授带领团队，运用该技术以明胶、海藻酸钠或纤维蛋白原负载为打印墨水，在世界范围内首次构建出HeLa细胞体外三维肿瘤模型。

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借助3DCC技术创造出来的体外肿瘤模型，不仅可以逼真地模拟人体内环境，而且能够非常贴切地展现肿瘤细胞在人体内较为真实的扩散情况，由此便可以大大提高治疗药物的筛选。
以明胶－海藻酸钠－基质胶复合水凝胶材料，结合3D打印技术及病人来源的肿瘤细胞，构建出了个性化的肝内胆管癌肿瘤模型，重现了原发肿瘤病理学特征及复杂生态环境。
在该3D打印构建的结构体中，肝内胆管癌的细胞存活率达到了90%，并具有持续增殖的能力，充分展示了3D打印个性化肿瘤模型在未来大规模药物检测方面的巨大应用价值。
迄今为止，对于制造体外肿瘤模型的研究已经延伸至模拟肿瘤内部复杂的微环境。虽然，对于突破肿瘤的治疗和人造器官的制造尚且任重而道远，但是，生物3D打印技术仍然拥有充满无限可能的伟大前景。

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结语

在生物医学领域，3D打印技术已经大展拳脚。近些年来，关于3D打印肝脏模型、3D打印头盖骨救助毁容、3D打印脊椎植入人体、3D打印手掌治疗残疾、3D打印心脏救治先天性心脏病婴儿的新闻接二连三地映入人们的眼帘，一副关于3D打印的美好蓝图在人们心中日趋清晰。
或许，在不久的将来，生物医学领域能够突破技术关隘，翻越制造壁垒，利用3D打印技术，为治疗诸多疾病和残疾开拓一条安全且有效的途径，这无疑会成为全人类的福祉。
然而，值得注意的是，万物有利必有弊。对于3D打印技术，合理使用才是关键。
科技问题与伦理问题的平衡点，也是人类在探索科学的过程中最最需要把握的地方之一。
<hr>参考文献：
《3D打印世界》
《创意世界》
《科学（Science）》
《3D打印：三维数字化创造》