提到3D打印（3D-Printing），大家肯定不會(huì)陌生，這是近年來(lái)非常火熱的制造方法。

“從無(wú)到有”，3D打印在各領(lǐng)域大放異彩

3D打印是一種“從無(wú)到有”的制造方法，依賴電腦構(gòu)建的3D模型即可打印出理想中的產(chǎn)品形狀。這諸多的優(yōu)點(diǎn)讓3D打印在各個(gè)領(lǐng)域都得到了快速的應(yīng)用，大到火箭和汽車的零部件、房屋，小到模型玩具。

全球首輛3D打印超級(jí)跑車（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

而在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印也有著廣泛的應(yīng)用。比如，教學(xué)使用的人體器官模型，幫助學(xué)生直觀地進(jìn)行學(xué)習(xí)；還有手術(shù)前施術(shù)區(qū)域的3D打印模型，能夠幫助醫(yī)生提前了解手術(shù)區(qū)域的細(xì)節(jié)，提高手術(shù)的成功率。

此外，3D打印在制備人體組織的替代物，即組織工程支架方面，也具有非常好的前景。每個(gè)人都是獨(dú)一無(wú)二的個(gè)體，3D打印恰好能滿足現(xiàn)在精準(zhǔn)醫(yī)療的需求，打印個(gè)性化的替代物，從而加速組織器官的修復(fù)。

但是，這些打印的支架都是“死”的，所以科學(xué)家在思考如何直接打印“活”的組織和器官，并為此提出了新的概念“生物打?。˙ioprinting）”。

如何打印“活”組織？

這可是一個(gè)不小的難題。

傳統(tǒng)的3D打印雖然也能夠制備結(jié)構(gòu)可控的組織工程支架，但是體外培養(yǎng)條件下，細(xì)胞并不是那么“吃苦耐勞的工人”，細(xì)胞如同我們個(gè)體一樣，在外界條件很好的情況下，并不會(huì)愿意朝最艱難的地方走去，即細(xì)胞難以長(zhǎng)入支架內(nèi)部。

另一方面，在打印后的支架表面種植細(xì)胞難以保證細(xì)胞在支架上分布均勻。生物打印技術(shù)就是應(yīng)用了3D打印的原理，將組織工程的三要素（生物材料，種子細(xì)胞和生長(zhǎng)因子）在空間上進(jìn)行有序的排列，從而打印出3D“活”組織。

生物墨水是生物打印的原材料，它包含了組織工程的三要素并均勻混合形成了粘性水溶液。

材料決定產(chǎn)品制備方式和性能 

生物打印的組織或器官就如同一座高樓大廈，生物材料就是其中的一磚一瓦，種子細(xì)胞就是大廈內(nèi)的工作人員，生長(zhǎng)因子則可以看成外界給與細(xì)胞的工作指令，從而調(diào)控細(xì)胞的行為。

所以，生物墨水是生物打印的核心技術(shù)之一，直接決定了這座“大廈”能不能成功搭建，“工作人員”能不能好好工作，以及與外界能不能進(jìn)行信息交流。

生物墨水，生物打印的“關(guān)鍵”

為了滿足活體組織或器官的構(gòu)建，生物墨水必須具備可打印性、易成型性、生物相容性和生物功能化這幾個(gè)特性。

• 可打印性：生物墨水能夠連續(xù)擠出或噴出直至完整的3D支架打印完成。

• 易成型性：要求生物墨水能夠快速交聯(lián)成型，從而維持支架長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

• 生物相容性和生物功能化：保證打印后的支架能夠維持搭載的細(xì)胞或生長(zhǎng)因子的活性，以及后續(xù)體外培養(yǎng)成特定組織的能力。

生物材料是構(gòu)建生物墨水的基礎(chǔ)，直接影響生物墨水的各種性能。目前最為常用的生物材料有海藻酸鹽（ALG）、甲基丙烯酸化明膠（GelMA）等。但這材料都存在一定的局限性。

海藻酸鹽/聚賴氨酸生物墨水打印示意圖

近期，中科院深圳先進(jìn)院等設(shè)計(jì)了一種新型的生物墨水，可以在常態(tài)環(huán)境下構(gòu)建大尺寸自支撐的功能化3D支架。

該團(tuán)隊(duì)首次提出海藻酸鹽/聚賴氨酸基新型聚電解質(zhì)生物墨水，富含氨基的聚賴氨酸與海藻酸鹽上的羧基具有電荷作用，可以在常態(tài)下實(shí)現(xiàn)大尺寸自支撐結(jié)構(gòu)支架的打印。

3D打印大尺寸骨模型

3D打印組織工程支架

為了維持支架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，他們進(jìn)一步對(duì)支架氨基和羧基進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)支架的降解速率可控，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了支架表面電荷的可調(diào)控性。而基于可調(diào)控的支架表面電荷，這些支架不僅促進(jìn)了細(xì)胞的黏附，還能夠?qū)崿F(xiàn)多種活性因子的吸附和緩釋，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)了負(fù)載的細(xì)胞外基質(zhì)或生長(zhǎng)。

這種新型的生物墨水，在打印大尺寸3D支架和功能化支架方面具有特別的優(yōu)勢(shì)，而且墨水穩(wěn)定性很高，能夠大批量生產(chǎn)各種功能化組織工程支架。

目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用該生物墨水打印出了一些骨-軟骨一體化修復(fù)支架和血管支架，準(zhǔn)備開展試驗(yàn)，希望最終實(shí)現(xiàn)缺損組織完美修復(fù)。未來(lái)，這種生物墨水將會(huì)在構(gòu)建多細(xì)胞和梯度功能組織工程支架方面有更廣泛的應(yīng)用。

上述相關(guān)研究發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials），文章第一作者為林子鋒研究助理，通訊作者為阮長(zhǎng)順副研究員、潘浩波研究員和陳大福教授。該生物墨水也已申請(qǐng)專利保護(hù)。

阮長(zhǎng)順課題組長(zhǎng)期開展3D生物打印與生物醫(yī)用材料相關(guān)研究，近年來(lái)在3D生物打印領(lǐng)域發(fā)表一系列文章，包括實(shí)現(xiàn)骨誘導(dǎo)型功能生物墨水（Advanced Science，2018）、高強(qiáng)度水凝膠墨水構(gòu)建骨/軟骨一體化修復(fù)支架（Advanced Functional Materials，2018； ACS Biomaterials Science & Engineering，2017）等。