醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的歷史始于上世紀(jì)80年代的醫(yī)療模型制造，隨著3D打印技術(shù)和醫(yī)用3D打印材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)已被應(yīng)用義齒加工和骨科植入物的直接制造領(lǐng)域。在未來，3D打印技術(shù)的應(yīng)用是與生命科學(xué)、生物工程技術(shù)相結(jié)合，制造具有生物活性的組織和器官。我們整理出3D打印技術(shù)在生物工程領(lǐng)域的五種應(yīng)用前景，與讀者分享。

五種應(yīng)用前景

1. 器官生物芯片定制

器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微觀的人體組織，它們的作用是模仿人體組織的功能。比如腸道芯片，是模擬人的腸道的成長環(huán)境，腸道器官結(jié)構(gòu)，研究藥物、食物在腸道的吸收狀況和吸收效率等問題。器官生物芯片在進(jìn)行生物學(xué)研究和藥物篩選實(shí)驗(yàn)時(shí)往往比二維的細(xì)胞培養(yǎng)方式更加有效。傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術(shù)是勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)，不利于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的快速迭代和快速制造。將3D打印技術(shù)用于制造微流控生物芯片則可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)微型流體通道的快速制造，有利于設(shè)計(jì)的快速迭代，提高基于微流控研究的跨學(xué)科性。

或許在未來，先進(jìn)的生物3D打印機(jī)不僅可以打印微流控平臺(tái)，還可以同時(shí)在微流控平臺(tái)中直接打印出定制化的微觀人體組織。

2. 皮膚制造

生物3D打印的皮膚有望用于治療燒傷或者是有慢性創(chuàng)口的患者。目前生物3D打印技術(shù)已可以制造出具有完整功能的人造皮膚，該技術(shù)在一些關(guān)鍵的皮膚組織工程學(xué)方面的潛力已體現(xiàn)出來，包括構(gòu)建色素和皮膚老化模型、制造血管網(wǎng)絡(luò)和毛囊。盡管生物打印皮膚技術(shù)的臨床應(yīng)用仍處在非常早期的階段，但一些有價(jià)值的臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)正在進(jìn)行。例如，維克森林大學(xué)通過噴墨生物3D打印技術(shù)制造皮膚，在使用該皮膚對(duì)小鼠缺損的皮膚進(jìn)行原位修復(fù)時(shí)取得了良好的細(xì)胞存活和皮膚修復(fù)結(jié)果。

3. 面部重建

人體的顱面部區(qū)域由幾種復(fù)雜的組織構(gòu)成，包括：骨、軟骨、肌肉、韌帶和皮膚，以及血管和神經(jīng)等。如果組織出現(xiàn)創(chuàng)傷或者具有先天性缺陷則會(huì)影響到人的容貌。在過去的幾十年中，這種顱面部缺損的重建技術(shù)一直在發(fā)展，例如，從截取人體其他部位的骨骼進(jìn)行下頜骨修復(fù)，發(fā)展到使用3D打印的鈦合金定制化植入物進(jìn)行下頜骨重建。盡管使用現(xiàn)有的技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了面部重建的治療目的，但由于植入物的使用壽命以及可能發(fā)生的感染等因素，顱面部修復(fù)技術(shù)并沒有停止發(fā)展的腳步，而生物3D打印技術(shù)和組織工程學(xué)正是發(fā)展方向之一。

4. 插入式血管

在人造組織內(nèi)生成血管對(duì)于移植后確保組織存活及維持器官功能是必要的。然而，制造帶血管網(wǎng)絡(luò)的組織和器官，并在植入后可直接與人體動(dòng)脈或靜脈相連接是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。2016年，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）就與該校Wyss生物工程研究所聯(lián)手在這方面取得了新的突破：他們發(fā)明了一種新的方法，能夠3D打印出厚度足夠的血管化網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)能讓液體、營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞生長因子順利進(jìn)入，保證植入其中的細(xì)胞存活并促進(jìn)它們生長，最終形成完成的功能性組織。

5. 藥物篩選

我們?cè)谇懊嫣岬搅松?a href="http://teenpicscenter.com/topic" target="_self">3D打印技術(shù)將可以用于器官生物芯片的定制化制造。定制化器官芯片的其中一個(gè)重要作用就是用于藥物篩選。藥物篩選指的是采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢?duì)可能作為藥物使用的物質(zhì)（采樣）進(jìn)行生物活性、藥理作用及藥用價(jià)值的評(píng)估過程。傳統(tǒng)的藥物篩選方法有高通量篩選、動(dòng)物篩選模型、高內(nèi)涵篩選、虛擬藥物篩選等，其中高通量篩選是目前藥物篩選的主流方法。

現(xiàn)有的藥物篩選技術(shù)都屬于體外藥物篩選，大多是在培養(yǎng)皿中平面培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行篩選試驗(yàn)，由于在體外比較難以模擬活性細(xì)胞在體內(nèi)的生長環(huán)境，就容易導(dǎo)致藥效準(zhǔn)確度不高的后果出現(xiàn)。現(xiàn)有的體內(nèi)篩選技術(shù)是在動(dòng)物身上，由于動(dòng)物與人體內(nèi)的環(huán)境存在種屬差別，并且試驗(yàn)成本高，因此實(shí)驗(yàn)效果同樣并不理想。

3D 打印藥物篩選主要是基于細(xì)胞3D打印技術(shù)，將細(xì)胞按照三維建模的模型打印出來，而這種三維結(jié)構(gòu)是按照人體結(jié)構(gòu)構(gòu)建出的適合細(xì)胞黏附、生長、遷移的結(jié)構(gòu)，相比其他篩選方法，此種細(xì)胞結(jié)構(gòu)更相似人體中的生長環(huán)境，因此能夠得到更準(zhǔn)確的篩選結(jié)果。

小結(jié)：生物3D打印發(fā)展過程中所存在的問題

1. 研究進(jìn)程緩慢，尚處于研究初期

從行業(yè)層面來看，生物3D打印不僅僅是一個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的問題，而是集生命科學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)、組織工程、制造學(xué)、臨床試驗(yàn)等交叉的一門大學(xué)科。能夠打印出活體器官等復(fù)雜生命體從來都不是僅靠生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展就能夠?qū)崿F(xiàn)的，距離真正意義上的生物3D打印究竟還有多遠(yuǎn)，可能并不是我們想象的那樣容易實(shí)現(xiàn)。

目前來看，生物3D打印仍處于研究初期，目前對(duì)于材料、打印方法、組織結(jié)構(gòu)、基因科學(xué)等的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能支撐活體生物器官的打印，上述各技術(shù)組成部分基本都處于獨(dú)立研究階段，尚未呈現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條的研究機(jī)制。

2. 醫(yī)療器械的審批過程緩慢

醫(yī)療領(lǐng)域的可植入人體的植入物能否成為合法合規(guī)的產(chǎn)品，取決于能否獲得國家的審批，在美國需獲得FDA 的審批，在歐洲須獲得CE認(rèn)證，在中國需獲得CFDA（國家食品藥品監(jiān)督管理局）的注冊(cè)審批。

我國將醫(yī)療器械分為三類，第一類醫(yī)療器械是指通過常規(guī)管理足以保證其安全性、有效性的醫(yī)療器械；第二類醫(yī)療器械是指對(duì)其安全性、有效性應(yīng)當(dāng)加以控制的醫(yī)療器械；第三類醫(yī)療器械是指植入人體，用于支持、維持生命，對(duì)人體具有潛在危險(xiǎn)，對(duì)其安全性、有效性必須嚴(yán)格控制的醫(yī)療器械。

大多生物3D 打印植入物屬于三類醫(yī)療器械，其安全性和有效性需進(jìn)行十分嚴(yán)格的檢驗(yàn)，注冊(cè)審批的流程一般為：研發(fā)設(shè)計(jì)階段（至少1-2 年）——理化生物學(xué)評(píng)測階段（至少1 年）——臨床試驗(yàn)階段（至少2-3 年）——注冊(cè)報(bào)批階段（1 年）——上市。假設(shè)從研發(fā)到試驗(yàn)均一切順利，產(chǎn)品面市的整個(gè)流程也至少需要6-7 年的時(shí)間，而目前針對(duì)含細(xì)胞的生物打印制品，各國都還未出臺(tái)相應(yīng)的注冊(cè)法規(guī)，監(jiān)管也是相當(dāng)?shù)膰?yán)格，因此生物3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路將更加漫長。