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不贬不褒 如实陈述 方为科普之道
撰文：孙伟 来源：清华大学藤影荷声 近年来，3D生物打印技术迅速发展，这项在传统3D打印概念的基础上加入“细胞”因素的生物打印技术，能够“制造”出想要的人体细胞、组织甚至人体器官，给世界范围内需要器官移植的患者带来了福音。 3D生物打印具有广阔的临床应用前景，为更进一步了解这项技术、以及其发展现状及未来前景，我们邀请到了清华大学生物制造、生物3D打印知名专家、同时也是相关课题领头人——孙伟教授为我们进行简要的介绍。 1 什么是3D生物打印 3D生物打印以细胞和生物材料为基本单元，按仿生形态学、细胞特定微环境等要求用“三维打印”技术手段制造出个性化体外三维生物功能结构体，是工程、材料、信息和生命科学等诸多大学科大交叉诞生的新兴学科，为21 世纪再生医学、先进医疗器械等生物技术产业发展奠定了科学、技术和产业基础。建立具有自主知识产权的3D生物打印及个性化医疗器械核心技术、推动我国现代医疗产业的发展已成为当务之急。 随着工程、材料、信息和生命科学等诸多大学科的交叉与融合，3D生物打印技术在个性化复杂结构组织器官的制造方面具有显著优势，正成为推动生物材料和生物医学应用新领域的颠覆性技术和前沿方向。 2 3D生物打印重要战略性意义 欧盟委员会在《制造业的未来：2015～2020战略报告》中提出重点发展生物材料和3D打印技术。美国国家科学基金会和国家健康研究院也开展多个与生物3D打印有关的国家战略计划（如美国多部门战略计划-组织科学与工程的战略发展等）。 在中国，中国科学院的“国家材料基因组重大专项”和“国家新材料产业体系重大专项”将3D打印及生物3D打印作为一项突出的创新技术和支持内容专门进行了规划。而中国工程院《2014中国战略性新兴产业发展报告》中特别提及3D打印技术在航空航天、生物制造领域的先进性和创新性；中国工程院《生物医药产业发展战略研究报告》则将3D生物打印列为生物医学工程新生的增长点和支撑技术。 2015年，在科技部首先启动的十三五国家重大科技专项中，生物医用材料研发与组织器官修复替代、干细胞及转化研究、增材制造与激光制造等三个专项，均将都将生物三维打印作为颠覆性技术之一，列入规划中。 3 技术发展的“五大层次 第一个层次，材料不具备生物相容性，不需要植入体内，故无特殊的生物学需求。在此阶段，利用3D打印复杂形状成型的特点，来制造一些个性化结构件，多用于制作医疗模型和体外医疗器械，比如外科手术中设计辅助模型，制作牙科手术导板等； 第二个层次，使用的材料具有生物相容性但不可降解，在该阶段，生物3D打印件开始植入身体，起到永久支撑作用，如人工关节植入体。假耳移植物也是在该层次得到应用，对于小耳畸形的患者，利用健康一侧的耳朵的CT数据，利用计算机辅助设计镜像重构另一侧耳朵的模型，之后调节打印工艺和材料参数制造移植物。颅骨修复、股关节修复也利用到类似技术； 第三个层次，材料具备生物相容性同时具有生物可降解性。此类材料多通过3D打印技术制成组织工程支架，形成高孔隙率结构，将支架填充至损伤部位，材料慢慢被人体降解、吸收，自身组织不断修复生长，最后支架结构让位给细胞和组织，以此修复受损的人体组织； 第四个层次，将体内提取的多孔组织工程支架上培养，有利于细胞长入、营养物质的传输，同时，可以实现体外三维培养，利于构建体外仿生三维结构生物体。活细胞、蛋白以及其他细胞外基质与组织工程支架体外共建形成细胞模型、疾病模型、药物检测模型等等； 在第四个层次的基础上，干细胞、组织、微器官的引入使3D生物打印的范围更加广阔，第五个层次体外生命系统、微生理组织、生命机械等研究更加深入，细胞机器人、器官芯片、类人芯片使得我们离人造器官更近一步。 4 中心的成就和发展 清华大学生物制造中心围绕3D生物打印在制造科学、材料科学、信息科学等与生命科学的大交叉大前沿，力图在仿生生命体构建、组织工程与再生医学、体外生命系统制造等领域取得重大科研突破，建立世界一流、具有国际影响力的跨学科研究、教育、人才培养和技术推广的生物制造研究中心，探索并开拓现代工程和制造科学在生物、生物工程及生物医学中的应用新领域，并促进生物制造新兴学科的发展。 中心主要研究内容包含如下四个大的方向： （1）细胞3D打印及在组织工程与再生医学领域的应用。主要包括围绕细胞3D打印所面临的材料学、生物学、制造学等诸多挑战，研发新型生物墨水、细胞3D打印工艺和设备，特别是研发胚胎干细胞、全能干细胞的3D打印技术，并构建包括心肌/心脏、肝脏、胰腺、子宫、肺等大型功能性组织及器官，探索生物制造在生物医疗、精准医学相关领域的临床前应用。 （2）基于细胞3D打印的病理模型制造及在病理学及癌症治疗领域的应用。本部分内容聚焦于癌症的病理、药理研究，开发精确仿生的三维体外模型，并用来研究组织再生或肿瘤的生物学特征及其发生、发展机理，为组织工程临床应用、病理学研究、以及肿瘤诊疗提供新的手段。 （3）体外微生理系统的生物3D打印及在新药研发方面的应用。本研究方向重在研究集成的细胞三维打印技术与微流控技术，从单个组织器官芯片的设计研究，到构建更为仿生的三维微生理系统。在未来，有可能通过高通量细胞芯片、器官芯片、类人芯片等的设计制造，为病理学和药物研发带来技术革命。 （4）生命机械以及在信号传递、疾病治疗中的应用。本方向提出基于三维打印、微制造等先进制造技术，探索可控运动的细胞机器人、多细胞生命机械的设计制造基础原理及关键技术。本课题的研究将为今后多功能系统化细胞机器人的研制打下基础，有可能为信号传递、生物治疗、细胞/组织芯片等研究提供新的手段。 5 未来的发展前景 未来，3D生物打印技术有望更加充分地发挥其在构建高精度复杂三维模型上的优势，成为个性化植入及介入器械制造、组织工程和体外仿生组织模型构建等诸多领域的关键核心技术，并向着可打印组织个性化，可打印生物墨水多样化，建模与打印软件智能化，打印设备集成化的方向不断发展。 通过3D生物打印技术与医疗技术的深度结合，未来有望逐步发展成为成熟人工组织器官体外制造技术，从而实现在体外或体内直接打印活体器官组织，替换失去功能的器官或组织，这将使得目前临床移植供体不足等问题在一定程度上得到解决。 根据美国市场研究公司Grand View Research预计，到2022年，全球生物3D打印市场规模将达到18.2亿美元，而以3D生物打印技术为基础的个性化植入及介入医疗器械、个性化活体组织器官等产品不但将具有千亿的市场空间，而且将为病损组织器官功能重建提供临床治疗新策略，给患者和整个社会带来福音。
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