3D细胞打印技术的应用

过去15年左右，梦想推动了生物3D打印领域的投资和研究。生物3D打印技术是根据仿生形态、生物结构或生物功能、细胞的微环境等要求，采用“三维打印”技术制造生物单元（细胞/蛋白质/DNA等）和生物材料。 “技术手段制作个性化的体外三维结构模型或三维生物功能结构。

其科学研究、技术应用和产业发展广泛涉及以下方面：生物3D打印设备和生物墨水的开发与制造、医疗器械制造、复杂组织工程支架制造、功能结构制造等。
生物3D打印作为一个新兴的交叉前沿技术领域，目前受到许多国家战略重视。

生物3D打印技术的应用

根据所用生物材料的不同特性，清华大学生物3D打印中心将其分为4个等级。

1级

无生物相容性要求的打印材料可用于3D打印体外病例模型、手术导板、3D打印体外假肢或骨科辅助器具等，这一层面的应用极大发挥了3D打印在个性化定制方面的优势，帮助相关患者量身定制相关手术模型或治疗工具，让患者得到更好的治疗。

2级

印刷材料采用生物相容性但不可降解的材料。这种印刷产品可以用作体内的长期植入物。该材料可以是例如钛合金金属，或惰性聚合物材料。 T3D打印金属植入物制造商（爱康医疗）已获得多个CFDA上市许可，产品已应用于临床。

3级

打印具有良好生物相容性和可降解性的生物材料，主要应用领域是打印组织工程支架。此外。它要求打印的植入物不仅要与身体相容，还要具有可生物降解的特性，并能在一段时间内促进体内有缺陷的组织的生长和愈合。

清华大学生物制造中心的3D打印低温沉积制造技术，融合了生物3D打印和冷冻干燥显微造孔技术的优点。既可以实现宏观可控孔隙（100微米），又可以实现微观微丝孔隙。

3D打印组织工程支架提高了支架内的细胞种植率，更有利于支架内部细胞的生长和组织功能的实现。在骨组织工程支架领域得到良好应用，并开始转化为临床。

4级

细胞3D打印技术可以直接以细胞、蛋白质等生物活性物质（蛋白质、DNA、生长因子）为基本单位。它直接构建体外生物结构、组织或器官模型。

细胞3D打印的技术挑战

细胞（生物）3D打印技术是目前前沿的技术，也是器官打印潜力最大的技术。在打印过程中，细胞不可避免地会承受一定的机械力，甚至造成一定的损伤。因此，细胞3D打印技术的实现充满了各种技术挑战。细胞3D打印的技术挑战主要包括以下几个方面：

材料可以打印吗？

首先，我们要选择生物3D打印机可以打印的生物材料/生物墨水。不同的印刷工艺对生物链接的粘度有不同的要求。粘度太低或太高的生物墨水都难以打印。因此，细胞3D打印的首要挑战是寻找可打印的生物墨水。

可以构建 3D 结构吗？

并非所有印刷生物墨水都可以构建 3D 结构。为了打印高分辨率的3D复杂细胞结构，细胞印刷油墨需要增加印刷油墨的粘度。它需要增加生物墨水的凝胶容量以保持堆叠结构的机械性能。

细胞能存活吗？

增加细胞印刷油墨的粘度将导致印刷过程中单元的剪切力增加。并且会导致打印后细胞的存活率下降。因此，在印刷过程中控制细胞印刷油墨的粘度（不能太高也不能太低）。而找到适合细胞打印墨水的粘弹性区间是实现良好细胞3D打印的重要一步。如良好的成型性和生物性能。

功能齐全吗？

新打印的3D细胞结构只是细胞和生物材料的3D组合，并不形成组织特征。因此，打印的3D细胞结构必须经过适当的培养条件才能形成组织功能。这一环节需要保证生物材料的生物相容性、机械性能和功能性、充足的培养基供应和充足的废物排放。甚至某些组织也需要特定的生物反应器来通过流体、力或电刺激来实现其功能。

综上所述，细胞3D打印充满了不同甚至矛盾的技术挑战，需要多学科的背景知识和经验来解决这些问题。