從二維到三維：3D 生物打印技術在科研中的原理、應用與未來

隨著生命科學研究邁向更高維度的模型，傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)體系的局限性越來越明顯。細胞在二維平面中無法真實模擬體內(nèi)復雜的三維微環(huán)境，這在藥物篩選、疾病機理研究等領域中造成了顯著的偏差。為此，3D 生物打�。�3D Bioprinting）應運而生，成為構建體外三維細胞/組織模型的重要技術。

什么是 3D 生物打��？
3D 生物打印是一種基于增材制造的技術，它按照預設的數(shù)字模型，在空間上逐層構建由生物墨水組成的三維組織結(jié)構。這些生物墨水通常由活細胞與生物相容性材料（如水凝膠）組成，打印后的結(jié)構可進行培養(yǎng)并保持細胞活性。3D 生物打印的核心在于精確控制細胞與支架的空間分布，從而模擬體內(nèi)組織特征。

技術層面上，3D 生物打印既不同于傳統(tǒng)工業(yè) 3D 打印，也不同于簡單的三維細胞培養(yǎng)。它要求材料、打印過程和后續(xù)培養(yǎng)嚴格兼顧生物活性與組織功能。其研究價值在于，打印出的三維結(jié)構可更真實地反映體內(nèi)環(huán)境，有助于機制探索與藥物評價。

核心技術路徑
目前生物打印技術主要包括以下幾類：

• 擠出式生物打�。‥xtrusion-based）
• 光固化生物打�。―LP/SLA）
• 使用光照投影數(shù)字圖案固化光敏生物墨水層，從而構建精細的三維結(jié)構，在微結(jié)構構建與分辨率上具有優(yōu)勢。
• 微滴/噴墨式生物打印（Inkjet/Microdroplet）
• 通過控制液滴沉積，將低粘度 bioink 定點輸送，適合高通量低耗體模型構建。

這些技術路徑各自具有研究適用性：例如，擠出式更適合大體積的組織模型構建，而光固化式更適合高分辨率、細微結(jié)構設計（如微通道、毛細管網(wǎng)狀結(jié)構）。

圖示：擠出式3D生物打印原理

圖示：光固化式3D生物打印原理
 

圖注：噴墨式3D生物打印原理

科研典型應用方向
3D 生物打印正在推動多個生命科學領域的研究進展：

• 三維細胞培養(yǎng)與組織模型構建

  這些模型相比二維體系能更好地表達體內(nèi)細胞行為。

• 藥物篩選與毒性評估

  在藥代動力學和藥效評估中，三維組織模型顯示出更高的預測一致性與生理相關性。

• 疾病模型與機制研究

  例如腫瘤模型、纖維化模型等，為機制和治療策略提供了高效平臺。

• 再生醫(yī)學與組織工程基礎研究

  支持逐步探索可植入組織結(jié)構、干細胞支撐環(huán)境等。

圖注：3D生物打印人類角膜基質(zhì)及基座支架裝置

圖注：用于骨科的軟骨模板生物打印示意圖
 

設備與平臺示例（以 CELLINK 設備為例）
在科研實踐中，基于不同技術路徑的生物打印平臺正逐漸形成體系化解決方案：
1 擠出式 3D 生物打印平臺：BIO X 系列
 

圖注：BIO X 與 BIO X6 生物打印系統(tǒng)——CELLINK 擠出式打印平臺，支持多打印頭和不同材料體系。

擠出式系統(tǒng)具有以下特點：

• 多打印頭設計，提高多材料/多細胞類型打印能力。
• 溫控打印床和封閉清潔室設計，提升生物打印的穩(wěn)定性與實驗可重復性。
• 清潔室 HEPA 過濾與無菌環(huán)境，有助于長時間培養(yǎng)與后續(xù)實驗操作。

其中 BIO X6 采用多達 6 個智能打印頭，可在同一過程構建更復雜的多材料/多細胞結(jié)構，有助于更接近體內(nèi)結(jié)構的構建。

2 光固化技術平臺：LUMEN X / Bionova X

圖注：LUMEN X / Bionova X 光固化生物打印平臺——用于高精細光固化打印，適合微結(jié)構模型的構建。

光固化系統(tǒng)通過數(shù)字光圖案同時固化整個層面的生物墨水，可實現(xiàn)更高打印分辨率和更精細的微結(jié)構設計。

科研方法與實驗工藝
在結(jié)構構建之外，3D 生物打印的大量科研工作依賴于：

• 生物墨水設計與表征：流變學特性、印跡力學性質(zhì)需要優(yōu)化以保持打印精度與細胞生存環(huán)境。
• 打印后培養(yǎng)策略：打印構建完成后的培養(yǎng)環(huán)境設計，如生物反應器、動態(tài)培養(yǎng)體系等，對組織成熟與功能表達至關重要。
• 成像與分析方法：包括顯微成像、免疫熒光分析、功能測試等，以評估模型的生理相關性。

當前挑戰(zhàn)與研究前沿
盡管應用范圍正在擴大，3D 生物打印在科研中仍面臨挑戰(zhàn)：

• 如何在打印過程中降低細胞剪切應力并提高生存率。
• 生物墨水與功能材料的可控性與生物響應需要深入理解與優(yōu)化。
• 打印后培養(yǎng)體系與體外環(huán)境的集成仍需創(chuàng)新實驗設計。

結(jié)論：面向研究的三維生物構建平臺
3D 生物打印作為一種集成了細胞生物學、材料科學和工程制造的交叉技術，為構建真實生理相關模型提供了工程手段。其核心價值在于通過精確空間控制與功能化材料配伍，使研究者能夠更接近體內(nèi)微環(huán)境，并為藥物篩選、疾病機制研究與組織工程提供有效實驗工具。

參考文獻
1.He Y , Gao Q , Liu A ,et al.3D bioprinting: from structure to function[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2019.DOI:10.3785/J.ISSN.1008-973X.2019.03.001.

2.Kutlehria, S.; Dinh, T.C.; Bagde, A.; Patel, N.; Gebeyehu, A.; Singh, M. High-throughput 3D bioprinting of corneal stromal equivalents. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2020, 108, 2981–2994.DOI: 10.1002/jbm.b.34628

3.Pitacco, P.; Sadowska, J.M.; O’Brien, F.J.; Kelly, D.J. 3D bioprinting of cartilaginous templates for large bone defect healing. Acta Biomater. 2023, 156, 61–74.DOI: 10.1016/j.actbio.2022.07.037