Nature子刊：生物3D打印向临床转化的机遇与挑战

来源：EngineeringForLife

目前，3D打印的手术导板、骨植入物、颌面部植入物和一些无生物活性的医疗器械在医院屡见不鲜，但是3D打印的活细胞支架应用到临床依然面临巨大的挑战。近期，维克森林医学院的Anthony Atalat教授在Nature Biomedical Engineering上发表了题为“Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting”的Perspective论文，系统地分析了生物3D打印技术向临床转化所面临的机遇和挑战。
首先，介绍了生物打印技术在软骨、骨、和皮肤应用上的临床进展：

• 软骨
  

目前打印的软骨组织在植入体内后具有组织学和力学性能（图1a）。未来为了更好地实现软骨组织的生理功能，需要重点突破生长因子、机械性能和干细胞的梯度打印。

• 骨
  

目前主要利用生物打印技术诱导骨愈合（图1b），而大段缺损还需要结合非打印的传统产品来修复。此外，生物打印也很难制造兼顾形态和功能的骨组织。

• 皮肤
  

目前主要利用原位生物打印技术，对细胞和材料进行精确的控制，实现原位皮肤修复（图1c、d），但是现有的技术仍不能完全模拟皮肤的形态、理化和生理特性，包括促进、调节毛囊的正常发育，色素沉着，表皮的形成和成熟。

图1 生物打印的软骨、骨和皮肤组织

接着，指出了转化过程中的几个挑战，包括：构建组织器官内部的血管网络，开发生物相容性优越的生物墨水，以及获得生理相关的细胞数量（表1）。

表1 生物打印的特定需求及潜在解决方案

图2 目前解决打印组织血管化的几种方案

最后，概述了生物打印在监管机制、材料采购、制造、标准化和物流等方面的挑战（表2）。

表2 生物打印技术转化的挑战及发展方向

总之，生物打印的组织或器官向临床产品转化，需要达到功能和支持细胞类型(包括干细胞)的阈值，需要具有与天然器官在微观和宏观尺度上相似的生物学特性，并具有包含动脉、静脉和毛细血管的完整血管网络。虽然生物打印的部分软骨、骨和皮肤已符合标准，但在更复杂组织打印及应用上仍面临着重大挑战。要实现多尺度、多组分组织/器官的生物打印的应用突破，未来需要在分离和扩大原代和干细胞群体、开发“智能”生物材料以及整合互补的生物打印技术方面做进一步深化研究。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-019-0471-7