生物3D打印机→3D打印技术应用实例

图7-41为一台生物3D打印机。该生物3D打印机安装了4个配药微阀和可精确控制的3轴运动机器人装置。配药微阀采用气动控制，安装在水平运动的机器人控制平台上。该平台可控制细胞与水凝胶等打印材料喷送的位置和时间。基体被另外一个控制单元控制垂直方向的位置。培养基中的细胞悬浮液和液态形式的水凝胶被放置在一次性的注射筒内，可被连续送进气压控制的喷送器中。该生物3D打印机还配备了采集微滴尺寸的摄像系统及控制配送器温度的热电装置。

美国维克森林大学再生医学研究所的研究人员近期宣布，已开发出一种生物3D打印机，打印出的人体器官具备获取氧气和营养的“通道”。

该研究所负责人安东尼·阿塔拉（Anthony Atala）表示：“这一打印机可以制造出稳定、符合人体尺寸的任何形状的组织。在未来发展中，这一技术将可以打印活体组织和器官结构，用于器官移植手术。”阿塔拉及其同事的这一成果已发表在《自然生物技术》期刊上。这一生物3D打印机名为“一体式组织—器官打印系统”（ITOP）。

图7-41 生物3D打印机

1—装载细胞悬浮液和水凝胶的注射筒 2—4通道药剂配送器 3—基体 4—水平运动平台 5—垂直运动平台 6—测距仪 7—温控装置 8—4通道配送器温控装置

生物3D打印需要用到来自捐赠者的细胞。这些细胞需要在实验室中培养，并置于水基凝胶中。随后，这些凝胶将被注入可生物降解的聚合物结构，使细胞处于适当位置。阿塔拉和其他研究者此前曾发明过多种方式打印人造皮肤和人造膀胱。然而，这样的人造器官存在局限：由于缺少血管，这些器官的厚度均不能超过200μm（大约等于头发丝的宽度）。

阿塔拉的ITOP能在计算机控制下使用多种不同类型的凝胶去打印，这类似于喷墨打印机的喷墨。在这一过程中，ITOP可以在打印出的组织内部构造微型通道。在器官的初步成长中，这些微型通道可以提供血管的功能，使营养物质和氧分子抵达器官内部的细胞。

在被植入生物体之后，通过“血管形成”过程，血管将取代微型通道。在最新实验中，研究人员制造了多种人体结构，包括人耳、肌肉纤维，以及颚骨碎片。

其中，3D打印人耳已被移植至小鼠身体。在两个月时间里，人造器官内的血管和软骨组织逐渐成形。人造肌肉纤维同样在小鼠体内进行了实验。在移植的两周后，实验表明，这些肌肉有着足够的强度，以支撑血管和神经的形成。而当颚骨被植入小鼠体内后，研究人员发现，血管在5个月后形成。

维克森林大学的这一生物3D打印技术尚未被用于人体。不过阿塔拉及其同事认为，这一技术也适合人体。这种技术的一大优势在于，打印的器官可以定制，从而完全符合器官接受者的需求。

图7-42为美国维克森林大学开发的生物3D打印机。(www.xing528.com)

图7-42 维克森林大学开发的生物3D打印机

韩国知名3D打印机生产商Rokit获得了该国政府300万美元的补助，以进军生物3D打印领域。Rokit发布了一款可用于组织工程和生物医学研究的3D打印机3Dison Invivo，如图7-43所示。

图7-43 生物3D打印机3Dison Invivo

实际上，Invivo就是该公司3Dison系列多材料3D打印机中新增加的一款机型。这是一款具有很高通用性的生物3D打印机，既配置了一个挤出机又配置了一个液体注射器；可以打印很多种材料，包括PLGA、PCL、PLLA、胶原蛋白、海藻酸钠、丝素蛋白等；还改进了市场上现有生物3D打印机的很多缺点。

杭州电子科技大学研发出了国内首台生物3D打印机Regenovo（图7-44），并成功打印出了人体器官。这台生物3D打印机并不大，长、宽、高分别是64cm、50cm、70cm，是直接通过活细胞、水凝胶打印，堆叠出生物器官。目前可以打印耳朵、肝脏，以及人皮面具，打印时间为几个小时不等。

图7-44 中国第一台生物3D打印机Regenovo

打印是在无菌环境下进行的，且温度需要严格控制。该项目负责人徐铭恩教授对新华网称，他们的细胞坏死率十分低，大约90%的细胞存活了下来，并且保存了4个月之久，这延长了器官的后续使用时间。