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3D打印技術自誕生以來，應用領域不斷擴大，給人們帶來了許多驚喜。細胞3D打印，就是其中相當耀眼的部分。
01 為何細胞需要3D打印
我們知道，細胞是生物體基本的結構和功能單位。已知除病毒之外的所有生物均由細胞所組成，而病毒生命活動也必須在細胞中才能體現。人體由單個受精卵經過復雜的網絡化調控和特定的時間跨度發育而來，細胞經過分化形成了許多形態、結構和功能不同的細胞群。許多形態相似的細胞及細胞間質構成組織。組織按一定的次序聯合起來，形成具有一定功能的結構，即是器官。數個器官有序地連接起來，共同完成一項或幾項生理活動，就構成了人體系統。

圖1 3D打印技術原理示意圖
3D打印又稱快速成型、增材制造。它是一種以數字模型文件為基礎，基于“離散-堆積”原理，運用各種具有一定粘合能力的材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。3D打印技術具有“所見即所得”、成形與制備一體化、短流程現場制造、自動化和高柔性等特征，特別適合構建個性化和結構復雜的物體。
由于人類個體之間的差異性（也稱為個性化）、人類組織和器官解剖結構的復雜性，將3D打印技術應用于構建活性的人體組織和器官，就成為了必然趨勢。細胞3D打印技術是上世紀末以來“醫工結合”的一個結晶——生物學是研究生物的結構、功能、發生和發展規律的科學，其目的是闡明生命活動的原理和調控因素，為醫學健康等領域服務；而工程學是將科學知識或技術的發展應用于工業生產，以達到改造自然目的的手段和方法。正是兩者的碰撞和交叉，使得細胞3D打印技術成為可能，并快速發展。
02 如何進行細胞3D打印
細胞3D打印，是以活的細胞（或干細胞）為基本構建單元，輔助以生物材料（也稱為生物墨水），在仿生原理和發育生物學原理的指導下，按照預先設計好的計算機模型，通過3D打印技術將細胞/生物材料/生長因子等物質放置在特定的空間位置，并通過層層粘接形成所要求的三維結構體。該結構體可在體外長期培養，并在合適的培養液和流體條件下，讓細胞在三維環境中增殖和分化。伴隨著人工組織的逐漸生長、發育和成熟，能夠形成具有生理功能的人工組織和器官。
這些人工結構體可以用于在體外進行藥物檢測、生物學研究、疾病發生規律探索等研究，而且我們還可將結構體進行體內移植，以修復、替代和維持病損組織的功能。

圖2 細胞打印工藝原理和設備實物圖
相對于常用的3D打印材料（如塑料、金屬、陶瓷等），細胞是極其脆弱的活性物質，需要生活在溫度、滲透壓、PH、氣體等嚴格控制的無菌環境下。這也是細胞3D打印技術的難點問題和本質特征之一。
在過去不到20年的研究時間里，清華大學、哈佛大學、MIT等多所大學和研究機構開發了多種細胞打印技術，根據使能方式的不同可分為四大類：微滴噴墨技術、擠出式生物繪圖技術、激光輔助細胞打印、立體光刻細胞打印（如圖2所示）。這些技術各有其獨特優勢、局限性以及適用范圍，人們可以需要根據具體情況和需求選擇合適的技術。
03展望未來
近年來年，細胞3D打印技術相關研究呈現爆發式增長趨勢。目前已有利用細胞3D打印技術構建人體軟骨、皮膚、肌肉、血管、心肌、肺、神經等組織的報道，但目前都還處在實驗室研究階段。令研究者們更為振奮的是，如今國內外已出現多家細胞3D打印設備生產廠家，代表性企業包括中國捷諾飛生物科技股份有限公司、德國Envision TEC公司、瑞士Regen Hu公司等。其中我國捷諾飛公司以其打印同步成像反饋控制技術、高保真打印技術等關鍵核心技術創新得到了科研與產業界的廣泛認可，占據了國內50%以上市場，產品遠銷海外。
總體來說，細胞3D打印研究目前正處于技術積累和真正服務于人民健康的臨界點。隨著大量實驗室研究的不斷涌現，人工結構體的生物功能、批量化穩定生產、全流程多環節質量控制，以及相應法制法規的出臺和完善都將是下一個十年的重要命題。有理由相信，在不久的將來，細胞3D打印機將成為生物實驗室的常規設備，而高度仿生的工程化人體組織和器官，也將為人類“器官再生”的夢想奠定重要基石。