细胞3D打印技术及应用

周为，张诚，赵丹阳＊

（大连理工大学　机械工程学院，辽宁大连　１１６０２４）

摘 要：细胞３Ｄ打印技术是一种利用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术来精确定向沉积水凝胶、生物分子和活细胞等生物材料，从而构建具有复杂三维结构的活性组织的先进技术。近年来，细胞３Ｄ打印技术受到越来越多的关注并广泛应用于再生医学、组织工程、临床移植、药物筛选和癌症研究等多个领域。该技术与传统生物制造技术相比，具有可以制造更加精确的组织结构和模型、实现多类型细胞的同步打印、有助于控制药物、基因和生长因子的输送、促进工程组织中血管化整合等优点。本文主要从细胞３Ｄ打印技术的方式、特点，应用及发展前景等几个方面进行简要的综述。

关键词：细胞３Ｄ打印；组织工程；细胞传感器；药物筛选；肿瘤研究

中图分类号：Ｑ８１９ 文献标志码：Ａ

Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　Ｃｅｌｌ　Ｐｒｉｎｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ

Ｚｈｏｕ　Ｗｅｉ，　Ｚｈａｎｇ　Ｃｈｅｎｇ，　Ｚｈａｏ　Ｄａｎ－ｙａｎｇ＊

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　Ｃｉｔｙ，　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｄａｌｉａｎ　１１６０２４）Abstract:　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ＣＡＤ／ＣＡＭ　ｔｏ　ｄｅｐｏｓｉｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，　ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　ａｎｄ　ｌｉｖｉｎｇ　ｃｅｌｌｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｔｉｓｓｕｅｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ａｔｔｒａｃｔ　ａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　ｍｅｄｉｃｉｎｅ，　ｔｉｓｓｕｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ，　ｄｒｕｇ　ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｎｃｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｂｉｏ－ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌｓ　ｇｒｅａｔｌｙ，　ａｃｈｉｅｖｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｃｅｌｌｓ，　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｏｆ　ｄｒｕｇｓ，　ｇｅｎｅｓ　ａｎｄ　ｇｒｏｗｔｈ　ｆａｃｔｏｒｓ，　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ　ｖａｓｃｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｓ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ａ　ｂｒｉｅｆ　ｒｅｖｉｅｗ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ，　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．

Key words：　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ；　Ｔｉｓｓｕｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；　Ｃｅｌｌ－ｂａｓｅｄ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ；　Ｄｒｕｇ　ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ；　Ｃａｎｃｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ

生物3D打印是一种涉及增材制造、生物医学、材料科学、电子信息等多个学科领域的新兴生物制造技术，它的出现极大地推动了组织工程与再生医学的发展。传统的生物3D打印技术主要利用不含细胞的生物材料来制造医学模型、金属骨骼、生物陶瓷、组织工程支架等生物制品。而随着进一步的发展，生物3D打印延伸出了新的分支细胞3D打印技术（3D Cell Printing）。细胞3D打印技术是在3D打印的基础上，以活细胞为原料结合生物材料、生命体材料的拓展延伸，打印活体组织与器官的一种技术。这种技术以计算机三维模型为基础，通过离散堆积的方法，将生物材料或细胞按仿生形态、生物体功能、细胞特定微环境等要求，用增材制造法打印出同时具有复杂结构与功能的生物三维结构、体外三维生物功能体等生物医学产品，在骨骼、皮肤、血管、心脏、肾脏、肝脏等组织等再生与重建、药物筛选等领域具有广阔的应

作者简介：周为（1995—），男，湖北仙桃人，硕士，研究方向：细胞3D打印。

通讯作者：赵丹阳（1976—），男，辽宁本溪人，博士，博士生导师，研究方向：仿生功能表面制造及生物3D zhaody@。

第2期·147·

周为等：细胞3D打印技术及应用

用前景。本文主要从细胞3D打印技术的方式及特点、细胞3D打印的应用、细胞3D打印的发展前景几个方面展开简要综述。

１　细胞３Ｄ打印技术的方式和特点

１．１　喷墨细胞打印技术

喷墨细胞打印技术是最早应用于打印细胞的技术，由传统的喷墨打印技术发展而来，其原理是利用热技术或声波技术，促使液体通过受计算机控制的喷嘴产生液滴，按照预先设定好的三维结构喷射液滴。目前，用于细胞打印的喷墨打印机主要采用热喷墨或声波喷墨技术。热喷墨打印机通过电加热打印头来产生压力脉冲而使液滴离开喷嘴，其优点是打印速度快、成本低和广泛可用性，但在打印过程中，细胞和生物材料需要承受高温及较大的剪切应力，并且喷嘴易堵塞、液滴的喷射方向易发生偏差、液滴尺寸不均匀等；声波喷墨打印机使用与超声场相关的声辐射力把液滴从气液界面处喷射出，通过调节声波参数来控制液滴的大小和喷射速率，其优点是可以避免喷嘴的堵塞，能够控制液滴的尺寸和喷射方向，并能避免细胞暴露于高温和机械应力之下[1]，缺点是对于打印材料的粘度有着严格的限制。可见，喷墨细胞打印的局限性在于其打印的生物材料必须是液态的，只有在这种情况下才能形成液滴。

１．２　微挤压细胞打印技术

微挤压细胞打印技术是最常见的细胞3D打印技术，该技术利用机械控制将生物材料通过挤出头挤出沉积在基底上。目前常用的材料挤出方法有气动式和机械式（活塞或螺杆）两大类。气动式打印机的优点是其驱动机构组件简易，缺点是其挤出力的大小受到系统气压的限制、并且容易造成材料控制的延迟；机械式打印机的优点是其可以更好地实现空间控制，并且更适用于高粘度水凝胶的打印[2]，缺点是会产生较大的机械应力从而对打印的生物材料造成损伤。与其他两种技术不同的是，通过微挤压细胞打印技术将生物材料挤出后会形成连续的材料丝而不是小液滴，导致生物材料和细胞承受较大的压力和剪切应力，降低了打印出细胞的存活率，限制了其在再生医学组织领域方面的应用。在色带吸收层上产生高压气泡，将含有细胞的材料推射到接收基底上，其优点是完全避免了其他细胞打印技术中细胞或生物材料堵塞的问题，同时对细胞的损伤很小，对细胞活力和细胞功能的影响可以忽略 不计[3]；缺点是打印效率较低，不适合高通量地在体外构建组织或器官，并且成本十分高昂，极大地限制了其在临床方面的应用。

２　细胞３Ｄ打印技术的应用

２．１　组织工程

２．１．１　肝脏组织打印

肝功能衰竭与多器官功能衰竭相关，是导致高发病率和死亡率的重要原因，因此肝脏组织工程一直受到广泛的关注。Faulkner-Jones等[4]首次使用人类多能干细胞（hPSCs）进行肝组织的细胞打印，打印完成后人类多能干细胞经过刺激分化成肝细胞，用于肝脏微器官工程，并且分析细胞3D打印过程对干细胞功能的影响。Bertassoni等[5]使用肝癌细胞（HepG2）、载有成纤维细胞的明胶-甲基丙烯酰胺水凝胶和琼脂糖进行细胞打印，在打印过程中快速降温使琼脂糖迅速固化，接着利用UV光使水凝胶完全凝胶后去除琼脂糖来产生可灌注的通道。由于肝组织对药物毒性高度敏感，细胞3D打印的肝脏组织模型在药物测试和高通量筛选方面具有巨大的应用潜力，此外，用于器官移植的肝组织细胞打印也是未来的重点研究方向。２．１．２　心脏主动脉瓣膜打印

随着人口老龄化加重，老年性瓣膜病以及冠心病、心肌梗死后引起的瓣膜病变也越来越常见，而目前人工心脏瓣膜置换或瓣膜成形等手术治疗是心脏瓣膜病的根治方法。细胞3D打印的心脏主动脉瓣膜可以针对病患心脏特性进行私人订制，提高精确性和稳定性，同时可以降低病患身体的排异反应，显著提高瓣膜替换手术的成功率。Duan等[6]利用载有猪主动脉平滑肌细胞（SMC）、小叶间质细胞（VIC）的明胶-藻酸混合水凝胶进行细胞3D打印，随后利用钙离子化学交联形成完整的主动脉瓣膜。通过细胞3D打印的主动脉瓣膜在动物体内实验中表现出良好的瓣膜功能及可兼容性，但是由此诱发的炎症性反应及移植后钙化等病理问题需要进一步的研究[7]。２．１．３　骨组织打印

由于人体骨骼形态不规则，并且不同性别、年