生物打印是一种3D打印，使用细胞和其他生物材料作为“墨水”来制作3D生物结构。生物打印材料具有修复人体受损器官、细胞和组织的潜力。在未来，生物打印可能被用来从头开始构建整个器官，这可能会改变生物打印领域。

可生物打印的材料

研究人员研究了许多不同细胞类型的生物打印，包括干细胞、肌肉细胞和内皮细胞。有几个因素决定一种材料是否可以生物打印。首先，生物材料必须与墨水中的材料和打印机本身具有生物相容性。此外，印刷结构的机械性能，以及器官或组织成熟所需的时间，也会影响这一过程。

生物墨水通常分为两种类型之一：

• 水基凝胶，或称水凝胶，充当细胞能够茁壮成长的3D结构。将含有细胞的水凝胶印刷成规定的形状，并将水凝胶中的聚合物连接在一起或“交联”，从而使印刷的凝胶变得更强。这些聚合物可以自然衍生或合成，但应与细胞相容。
• 印刷后自发融合成组织的细胞聚集体。

生物打印的工作原理

生物打印过程与3D打印过程有许多相似之处。生物打印一般分为以下步骤：

• 预处理：准备基于待生物打印器官或组织的数字重建的3D模型。该重建可基于非侵入性（例如，通过MRI）捕获的图像或通过更具侵入性的过程（例如，通过X射线成像的一系列二维切片）创建。
• 处理：打印预处理阶段基于3D模型的组织或器官。与其他类型的3D打印一样，为了打印材料，将材料层依次添加在一起。
• 后处理：执行必要的程序，将印刷品转化为功能器官或组织。这些程序可能包括将印刷品放置在一个特殊的腔室中，以帮助细胞正确、更快地成熟。

生物打印机的类型

与其他类型的3D打印一样，bioinks可以以几种不同的方式打印。每种方法都有其独特的优点和缺点。

• 基于喷墨打印的生物打印的作用类似于办公室喷墨打印机。当用喷墨打印机打印设计时，墨水通过许多小喷嘴喷到纸上。这将创建一个由许多水滴组成的图像，这些水滴非常小，肉眼看不见。研究人员已经将喷墨打印技术应用于生物打印，包括使用加热或振动将墨水推过喷嘴的方法。这些生物打印机比其他技术更便宜，但仅限于低粘度生物墨水，这反过来又会限制可打印材料的类型。
• 激光辅助生物打印使用激光将细胞从溶液移动到高精度表面。激光加热溶液的一部分，形成一个气穴并将细胞移向表面。因为这种技术不需要像喷墨生物打印那样的小喷嘴，所以可以使用粘度较高的材料，这些材料不容易通过喷嘴。激光辅助生物打印也允许非常高精度的打印。但是，激光产生的热量可能会损坏正在打印的电池。此外，该技术不容易“放大”以快速大量打印结构。
• 基于挤压的生物打印利用压力将材料从喷嘴中挤出，形成固定的形状。这种方法相对通用：不同粘度的生物材料可以通过调整压力来打印，但应小心，因为更高的压力更有可能损坏细胞。基于挤压的生物打印技术可能会被放大用于生产，但可能不会像其他技术那样精确。
• 电喷雾和静电纺丝生物打印机分别利用电场产生液滴或纤维。这些方法可以达到纳米级的精度。然而，它们使用非常高的电压，这可能对电池不安全。

生物印刷的应用

由于生物打印能够精确构建生物结构，因此该技术可能在生物医学中有许多用途。研究人员利用生物打印技术引入细胞，帮助心脏病发作后修复心脏，并将细胞沉积到受伤的皮肤或软骨中。生物打印技术已被用于制造心脏瓣膜，可能用于心脏病患者，构建肌肉和骨组织，并帮助修复神经。

虽然还需要做更多的工作来确定这些结果在临床环境中的表现，但研究表明，生物打印可以用于在手术期间或受伤后帮助组织再生。未来，生物打印机还可以使肝脏或心脏等整个器官从零开始制造并用于器官移植。

4d生物打印

除了3D生物打印，一些研究小组还研究了4D生物打印，它考虑了时间的第四维度。4D生物打印基于这样一种理念，即打印的3D结构可能会随着时间的推移而不断演变，即使在打印之后也是如此。因此，当暴露于正确的刺激（如热）时，这些结构可能会改变其形状和/或功能。4D生物打印技术可以应用于生物医学领域，例如利用某些生物结构的折叠和滚动方式制造血管。

未来

尽管生物打印技术在未来可能有助于挽救许多生命，但仍有许多挑战有待解决。例如，印刷结构可能很弱，在转移到主体上的适当位置后无法保持其形状。此外，组织和器官是复杂的，包含许多以非常精确的方式排列的不同类型的细胞。当前的打印技术可能无法复制如此复杂的体系结构。

最后，现有技术也局限于某些类型的材料、有限的粘度范围和有限的精度。每种技术都有可能对打印的电池和其他材料造成损坏。随着研究人员继续开发生物打印技术以解决日益困难的工程和医学问题，这些问题将得到解决。

参考资料

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