2020年3月，英國議會科學技術辦公室（The Parliamentary Office of Science and Technology）發布了一篇名為“醫學中的3D生物打印”（3D bioprinting in medicine）的文章。文章介紹了将3D打印技術應用到活體細胞和蛋白質領域以打印出新的醫療用組織和器官的3D生物打印技術，并對該技術的生物制造過程、研究現狀、監管情況等進行了介紹。本報告對其主要内容進行了編譯。

目前，治療器官損傷或衰竭的策略是用捐獻者的器官替換病變器官。雖然現在的捐獻率逐年增長，但是等待捐獻者器官的時間仍是個未知數。此外，接受器官移植的患者将面臨終生服用免疫抑制藥物、生活方式改變及可能存在的器官排斥的高風險。為解決這些問題，再生醫學專注于利用再生的可替換細胞、組織或器官進行由于外傷或疾病造成的器官或組織受損修複。

組織工程（Tissue Engineering，以下簡稱TE）作為再生醫學的一個分支，設立的目的是開發可植入的、人工合成的組織替代品。英國國家醫療服務體系（National Health Service，NHS）目前已獲得許可的TE治療包括角膜緣幹細胞移植以治療某些形式的失明及自體軟骨細胞移植治療關節炎。

許多科學家認為TE的最終目标是合成整個的組織和器官，但該領域尚處于發展的早期階段。TE治療方法最大的一個優勢是能夠為病人量身定制治療方案。雖然這種方法改進了治療效果，但由于個性化定制的醫療方案耗時長、費用高、實驗條件苛刻，這項研究目前僅限于小規模應用。人們對TE療法的标準化生産及大規模推廣研究越來越期待。3D生物打印技術将有望解決這一系列難題。

3D打印技術在醫學領域的應用

3D打印是增材制造的一種形式，通過對材料進行選擇性的增量分層以形成3D結構來生産産品。目前有三種主要能夠應用于醫學領域的3D打印方式：3D打印制藥（printing of pharmaceuticals）、3D打印結構性醫療器械（printing of structural medical devices）和3D生物打印（3D bioprinting）。其中，生物3D打印是一種以活細胞和生物相容性材料（生物材料）在三維結構上打印類似活體組織結構的新科技手段。

3D打印結構性醫療器械

3D打印在醫學上通常與結構性醫療器械的生産相關，目前，3D打印技術被用于生産定制外科手術植入物（取代膝蓋和髋關節）、外部支持（矯形器）等。用于制造結構性醫療器械的3D打印設備可以打印聚合物或金屬。目前，3D打印人工關節的最新成果涉及将微觀海綿狀設計整合到産品表面，以促進骨細胞植入時生長到結構上及添加抗菌化合物（銀）。

生物3D打印

生物3D打印是一種打印生物材料和細胞形成組織狀産品的技術。這項技術應用過程中用到的細胞和生物材料被稱為“生物墨水”，可以打印出能夠模仿體内複雜生物結構的組織。生物3D打印技術目前的研究重點是制造患病組織模型，這些模型可以替代實驗動物測試新藥。這項技術還被用來進行新的醫學療法研究。這種利用生物打印制造像組織一樣的材料的技術被稱為“生物制造”。

生物制造過程的各個階段

生物制造産品（打印組織或器官）的生産有三個重要階段:成像和設計（imaging and design）、生物墨水的選擇（bioink selection）、打印和成熟（printing and maturation）。

成像與設計

該過程需要創建虛拟計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）文件。包含必要的3D信息，以通知打印機在制造過程中打印的位置和内容。CAD軟件可以将醫學圖像（MRI掃描）轉換成虛拟3D格式。

生物墨水的選擇

生物3D打印過程的一個關鍵因素是生物墨水的設計。生物墨水是用來制造仿生組織結構的，理想的生物墨水應該具備以下條件：一是保持正确的物理屬性以便打印。二是滿足反應（凝膠）的需求，能夠塑造一個三維形狀。三是生物相容性,在有毒産品中不降解。四是具有活體組織的機械相似屬性。五是在機體中能夠支持細胞的生長。具有這些特性的材料主要包括天然蛋白質，如明膠和絲。将它們制成液體溶液，需要打印時，就可以按需制備半固體材料。由于生物墨水是用來制造組織狀結構的，因此，它可能還含有活細胞，但将細胞添加到生物墨水中會使其變得更加細膩，打印難度更高。

打印與成熟

根據墨水噴射機理的不同，有多種生物打印技術可以選擇。常用的方法有三種：

一是噴墨打印（Inkjet printing）。使用在打印後凝膠化的液體生物墨水。噴墨打印通過增加生物墨水的壓力使其從打印頭噴射出來起作用。由于這種打印方法可以打印單個細胞，因此可以以最高的細節（分辨率）進行打印，但由于細胞會結塊阻塞打印頭，因此無法打印具有高細胞濃度的生物墨水。

二是閥門打印（Valve printing）。使用液體生物墨水。閥門打印通過按需打開/關閉打印噴嘴來進行操作，以使生物墨水沉積。閥門打印比噴墨打印的分辨率低，但可以打印更大範圍的細胞濃度的生物墨水。

三是微擠壓（Microextrusion）。使用由打印機在壓力下擠出（推出）的凝膠生物墨水。由于其增加了打印噴嘴直徑，所以能夠處理的細胞濃度最高，但分辨率最低。大多數商業生物打印都利用該技術，因為它是最便宜且最容易獲得的生物打印方法。

目前，科研人員正在對上述方法進行研究，以探求它們可能适用的不同應用範圍。但是這三種方法都有受到兩個限制：一是存在于人體組織中的細胞的自然密度很高，目前這些方法很難實現該濃度。二是當前對分辨率的限制意味着可能難以制造人體内更複雜的結構。如毛細血管。研究人員正在研究新的生物打印方法來突破這些限制。在現有的生物3D打印方法的基礎上開發的新技術主要有活性噴射撞擊（Reactive jet impingement）和懸浮層加法制造（Suspended layer additive manufacturing）。

活性噴射撞擊技術是由紐卡斯爾大學研發的一種利用一個多閥噴頭來噴射兩種不同液态生物墨水的技術，兩種生物墨水可以在半空中發生碰撞反應形成凝膠，然後落在印刷基闆上。該技術允許快速打印帶有細胞的凝膠生物油墨，且細胞濃度接近人體組織中的細胞濃度。

懸浮層加法制造技術是由哈德斯菲爾德大學和伯明翰大學研發的。它通過微擠壓打印機和具有支撐性的凝膠打印精緻的3D結構，一旦打印物凝固，凝膠就可以被沖走，留下被打印的完好無損的結構。

打印後的3D構造将進入一段成熟期。成熟期階段，生物墨水中的細胞（或在打印後添加到生物制造的構建體中）粘附并适應結構。适應後，細胞可能會開始自組裝由于技術限制而無法打印的生物學特征。成熟後，将對臨床上的生物打印構造進行準确的功能性評估，如果獲得批準，可用于臨床。

生物3D打印研究實例

肺的核心功能單位是肺泡，肺泡是氣體（氧氣）進入毛細血管的地方。美國的一些大學研發了一種水凝膠，可以模仿血管通道。當紅細胞被泵出并通過這些通道時，能夠獲得氧氣（圖1）。

美國西北大學的研究人員已經打印出能夠維持卵泡生活的明膠結構。當這些人造卵巢被移植到絕育小鼠的體内時，可以發育出血管和卵泡并且自然成熟。人工植入的卵巢能夠使受精卵在母體内發育到足月出生，母體也能哺乳，并表現出正常的激素功能。

紐卡斯爾大學的研究人員利用微擠壓打印技術打印了角膜的一部分（眼球前部的透明部分）。他們造出了膠原蛋白和包含人類角膜細胞的海藻酸生物墨水，并打印成一個定制的角膜模具，模具去除後留下的便是透明的角膜組織。

值得注意的是，以上這些研究仍然是概念驗證研究，離人類臨床試驗還有很長的路要走。

生物3D打印面臨挑戰

3D生物打印技術是一個發展迅速的領域，這類研究的總體目标是制造出供再生醫學使用的器官和組織。然而，要實現此目标仍有許多挑戰需要克服。主要包括:

（1）組織異質性。組織和器官由各種不同類型的細胞組成。先隔離後打印每種類型的細胞，并确保它們位于解剖學上的對應位置和并能充分發揮作用仍然是一個挑戰。

（2）血管。血液供應幾乎是所有組織的一個關鍵功能。沒有血液供應，大多數組織會迅速死亡。重新創建這個血液供應網絡非常困難，嘗試打印血管（内皮）或使用激素促進其增長的探索正在持續進行。

（3）組織和器官排斥。用于打印的生物材料可能會引發來自病人的免疫排斥反應，特别是當打印的生物構造體包含來自捐獻者的細胞時。

當使用含有細胞的生物墨水打印時，關于生物墨水使用自體細胞或供體細胞（同種異體細胞）利與弊的争論一直持續。自體細胞的一個主要優勢是低免疫排斥的風險，但如果患者有遺傳疾病，他們的細胞可能需要進行基因編輯修複後才能使用。此外，打印一個組織或器官所需的大量細胞取自同一個患者個體也是非常困難的。使用異體細胞可以克服這一點，因為大型标準化批量生産的細胞可以預先準備好并儲存在細胞庫中，在需要時提取。缺點是由于這些細胞來自另一個捐贈者，患者需要服用藥物來降低免疫排斥的風險（可能持續一生）。

監管問題

由于生物制造是一項新技術，所以目前還沒有關于什麼是生物制造産物的精确法規定義。根據構造物的性質和制造過程，可能會有一些适用的歐盟和英國法規，包括有關藥品和生物材料、化學成分或動物衍生成分的法規。可能适用于生物制品的最相關的歐盟法規是《先進治療藥物》（ATMP）、《醫療器械》。但是，脫離歐盟後，英國法規是否與歐盟法規保持一緻尚不确定。負責監督生物制造過程及其産品使用情況的英國和歐盟監管機構包括：

（1）人類組織管理局（Human Tissue Authority，HTA）根據《2004年人類組織法》（Human Tissue Act 2004）和歐盟《組織與細胞指令》（EU Tissue and Cells Directives）對人類組織用于醫學治療研究的移出、存儲和使用進行監管。

（2）藥品和保健産品監管局（Medicines and Healthcare products Regulatory Agency，MHRA）監管英國使用的藥品、醫療器械和血液成分的安全、質量和功效。随着英國脫離歐盟，MHRA還成立了跨機構的英國脫歐工作組，以管理對該行業的監管影響。

（3）歐洲藥品管理局（European Medicines Agency，EMA）規範監管市場藥品的申請，并對歐盟的先進療法藥物進行分類。

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