探究生命科學(xué)中的細(xì)胞3D打印

王鴻彬

摘 要：3D打印是一種通過堆疊塑料、金屬等材料生產(chǎn)制作三維物體的技術(shù)手段。與之相反，傳統(tǒng)的油墨打印機(jī)只能在二維的紙質(zhì)平面上實(shí)現(xiàn)打印功能。3D打印技術(shù)在復(fù)雜零件制造、模具設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品開發(fā)方面有很多的應(yīng)用。近些年，3D打印技術(shù)逐漸與生命科學(xué)相結(jié)合，并取得了很多重要的進(jìn)展。本文將探究生命科學(xué)中的細(xì)胞3D打印技術(shù)，討論其基本原理、重要進(jìn)展以及發(fā)展趨勢，并分析它的技術(shù)困難，最后對細(xì)胞3D打印技術(shù)做一個(gè)總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：3D打印；細(xì)胞；生命科學(xué)；進(jìn)展

中圖分類號：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0192-02

3D打印技術(shù)是近20年開始興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)斷層掃描的分析，3D打印機(jī)可以將物體的結(jié)構(gòu)精細(xì)化和數(shù)字化。在將結(jié)構(gòu)文件分層為二維切片數(shù)據(jù)之后，3D打印機(jī)會(huì)按照分層制造、逐層疊加的方式，最終得到任意復(fù)雜形狀的三維產(chǎn)品。由于3D打印技術(shù)具有精確、快速、直接等特點(diǎn)，因此它在生命科學(xué)與生物材料等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。細(xì)胞3D打印就是這方面一個(gè)重要的例子，下面我們就來做具體介紹。

1 細(xì)胞3D打印

1.1 細(xì)胞3D打印原理

細(xì)胞3D打印是指利用組織器官的三維模型數(shù)據(jù)，控制3D打印機(jī)定位裝配活細(xì)胞并制造生物組織和器官的技術(shù)。細(xì)胞3D打印機(jī)一般有兩個(gè)打印頭：一個(gè)裝載生物活體細(xì)胞，這被稱為生物墨水；另一個(gè)裝載凝膠物質(zhì)，打印供細(xì)胞生長的支架，這被稱為生物紙。通過交替打印生物墨水和生物紙，細(xì)胞3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞的重組、融合，最終形成具有生命功能的生物組織。

1.2 細(xì)胞3D打印常見技術(shù)

由于細(xì)胞3D打印可以在微觀尺度上控制細(xì)胞的排列，并可以調(diào)節(jié)細(xì)胞間的相互作用，因此對于生物組織的研究具有重要意義?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)：細(xì)胞可以通過擴(kuò)散自組織形成具有功能特性的生命結(jié)構(gòu)?；谶@個(gè)理論基礎(chǔ)，目前發(fā)展出不同類型的細(xì)胞3D打印技術(shù)，包括細(xì)胞微滴沉積技術(shù)、細(xì)胞瓊脂基共混技術(shù)、細(xì)胞水凝膠共混技術(shù)等等。這些3D打印的組織細(xì)胞功能性好、存活率高、壽命長，因此為組織工程、癌細(xì)胞和干細(xì)胞等生命科學(xué)領(lǐng)域的研究提供了新的思路。

2 細(xì)胞3D打印的重要進(jìn)展

2.1 細(xì)胞3D修復(fù)

將不同種類的生物細(xì)胞應(yīng)用到細(xì)胞3D打印技術(shù)中，就可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或組織的再生和修復(fù)。例如，以軟骨細(xì)胞溶液為生物墨水，在紫外光條件下可以實(shí)現(xiàn)軟骨破損部位的原位打印，這樣成型的細(xì)胞分布均勻，且與周圍的組織結(jié)合緊密。另外，利用噴墨打印的方法，可以很好地混合皮膚細(xì)胞、膠原蛋白和凝血酶，從而促進(jìn)受損皮膚細(xì)胞的3D修復(fù)。特別的，在光刻技術(shù)的幫助下，細(xì)胞3D打印機(jī)還可以控制生物組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)破損部位的精確修復(fù)。有關(guān)細(xì)胞3D修復(fù)的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟，并在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

2.2 癌細(xì)胞3D研究

癌癥是困擾人類的一大難題?？茖W(xué)研究表明：在三維環(huán)境中培養(yǎng)的細(xì)胞，其形態(tài)、功能、基因表達(dá)等生物特性與二維培養(yǎng)的細(xì)胞明顯不同。對于癌細(xì)胞來說，某些抗癌藥物只能在三維培養(yǎng)環(huán)境下對癌細(xì)胞起作用，在二維的環(huán)境下就會(huì)完全失效。因此，構(gòu)建與人類體內(nèi)環(huán)境相似的三維細(xì)胞培養(yǎng)模型對于癌細(xì)胞的研究顯得尤為重要。利用細(xì)胞3D打印技術(shù)，科學(xué)家可以將癌細(xì)胞在體外定位裝配成三維的類腫瘤組織模型。由于細(xì)胞3D打印技術(shù)對于癌細(xì)胞的損傷較小，因此打印的癌細(xì)胞生物活性好、存活率高，方便進(jìn)行各種研究。通過與二維平面培養(yǎng)的癌細(xì)胞作比較，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三維培養(yǎng)的癌細(xì)胞在細(xì)胞形態(tài)、增殖速度、抗藥性、基因表達(dá)等方面存在顯著的差異。因此，細(xì)胞3D打印技術(shù)對于構(gòu)建癌細(xì)胞的體外三維模型、癌細(xì)胞的病理機(jī)制以及癌細(xì)胞的藥物研究都有著重要的意義。

2.3 器官3D打印

很多器官功能衰竭的病人，由于器官來源不足、排異反應(yīng)等原因，無法進(jìn)行器官移植手術(shù)。器官3D打印技術(shù)的問世，有可能解決這個(gè)難題。相比于細(xì)胞3D打印，器官3D打印具有更高的難度。一個(gè)器官往往由很多不同種類的細(xì)胞組織所構(gòu)成，要實(shí)現(xiàn)各個(gè)細(xì)胞組織之間的協(xié)同工作是困難的，因此相關(guān)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。目前，器官3D打印的進(jìn)展主要集中在人造血管、人造骨骼、人造肝臟等方面。實(shí)驗(yàn)上主要采用的是噴墨打印的方法，將不同類型的細(xì)胞存放在不同的打印頭上，用來滿足培育不同生物器官的需要。最近，有實(shí)驗(yàn)組將從活體組織中提取的腎臟細(xì)胞打印在培養(yǎng)皿上進(jìn)行培育，成功構(gòu)建了腎臟的功能組織。細(xì)胞3D打印的重要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)活體的器官打印，一旦成功其價(jià)值將不可估量。

3 細(xì)胞3D打印的發(fā)展趨勢

隨著打印技術(shù)的完善和生命科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，未來細(xì)胞3D打印有可能在以下兩個(gè)方面取得顛覆性的突破。

3.1 3D打印干細(xì)胞

干細(xì)胞是生物體內(nèi)一類重要的細(xì)胞。相比于其它的功能細(xì)胞，它并未充分分化，且發(fā)育尚不成熟。在一定條件下，干細(xì)胞可以通過不斷復(fù)制再生為各種組織器官，甚至能發(fā)育成一個(gè)完整的生物個(gè)體。因此，有關(guān)3D打印干細(xì)胞的研究為3D打印高級生物學(xué)模型提供了必要的基礎(chǔ)。基于細(xì)胞3D打印技術(shù)，利用胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞打印胰臟、心臟、肺等大型功能器官成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。干細(xì)胞的3D打印為器官的病理學(xué)研究、再生學(xué)研究、藥物學(xué)研究提供了新的啟示，并可能在相關(guān)領(lǐng)域帶來深刻的變革。

3.2 3D打印生命系統(tǒng)

細(xì)胞3D打印的最高層級就是實(shí)現(xiàn)體外生命系統(tǒng)的3D打印。細(xì)胞3D打印、組織3D打印、器官3D打印都可以看成是為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)所做的技術(shù)鋪墊。目前，科學(xué)家主要利用動(dòng)物進(jìn)行藥物試驗(yàn)，但動(dòng)物的生理系統(tǒng)與人類存在明顯的差異。一旦實(shí)現(xiàn)體外生命系統(tǒng)的3D打印，科學(xué)家就可以單獨(dú)培養(yǎng)人體的各個(gè)生理系統(tǒng)進(jìn)行藥物試驗(yàn)。這樣可以更好地模擬人體的真實(shí)情況，提高藥物測試的準(zhǔn)確性并縮短藥物開發(fā)的周期。 3D打印生命系統(tǒng)還在生物編碼、仿生生物學(xué)、疾病研究等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，因此也成為世界各國開展廣泛競爭的一個(gè)領(lǐng)域。

4 細(xì)胞3D打印的技術(shù)困難

雖然細(xì)胞3D打印技術(shù)在近幾年發(fā)展很快，但總體來說還處于起步階段，還有很多技術(shù)難關(guān)需要突破。在利用噴墨式打印機(jī)打印生物細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞會(huì)在打印過程中承受熱與機(jī)械應(yīng)力，這會(huì)影響細(xì)胞的生物活性，限制細(xì)胞的生長。另外，細(xì)胞溶液還容易堵塞噴頭，因此也會(huì)影響細(xì)胞的打印效果。在打印復(fù)雜的細(xì)胞系統(tǒng)時(shí)，細(xì)胞間會(huì)不斷交換生物信號，調(diào)控細(xì)胞間的信號和相互作用對于細(xì)胞3D打印也尤為重要。在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)器官的3D打印時(shí)，由于生物的組織器官結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同類型細(xì)胞的功能具有多樣性，因此在控制細(xì)胞團(tuán)簇的三維輸送、精確定位、排列組裝、生物制造等過程中，也可能影響生物器官的功能。未來相關(guān)的科學(xué)研究會(huì)在打印技術(shù)、細(xì)胞培育、生物材料方面力求突破，爭取早日解決這些技術(shù)難題。

5 結(jié)語

細(xì)胞3D打印技術(shù)在生命科學(xué)、材料學(xué)、分子科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。隨著打印性能、精確度以及細(xì)胞材料等方面的不斷完善，它的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。細(xì)胞3D打印還在生物醫(yī)療、器官移植等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用，因此具有重大的社會(huì)價(jià)值。目前細(xì)胞3D打印技術(shù)雖然在細(xì)胞組織培育、修復(fù)、人造器官等方面取得了階段性的進(jìn)展，但離大規(guī)模的臨床應(yīng)用還有一段距離。總而言之，細(xì)胞3D打印技術(shù)為生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)提供了重要的研究手段，也為細(xì)胞科學(xué)開辟了一個(gè)新的發(fā)展方向。

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