當「細胞」遇上3D列印技術，會碰撞出什麼火花？

2020-09-17 幹細胞者說

------「」，加星標，長期關注本科普號。

人生小哲理

少著急多思考

精神可以豐富

生活就要簡單

正文

當「細胞」遇上3D列印技術，給科學家帶來無限遐想。

撰文：姚睿

來源：細胞世界

● ● ●

3D列印技術自誕生以來，應用領域不斷擴大，給人們帶來了許多驚喜。細胞3D列印，就是其中相當耀眼的部分。這項在傳統3D列印概念的基礎上加入「細胞」元素的生物列印技術，能夠「製造」出想要的人體細胞、組織甚至人體器官，給科學家帶來無限遐想。

1 為何細胞需要3D列印

我們知道，細胞是生物體基本的結構和功能單位。已知除病毒之外的所有生物均由細胞所組成，而病毒生命活動也必須在細胞中才能體現。

人體由單個受精卵經過複雜的網絡化調控和特定的時間跨度發育而來，細胞經過分化形成了許多形態、結構和功能不同的細胞群。許多形態相似的細胞及細胞間質構成組織。組織按一定的次序聯合起來，形成具有一定功能的結構，即是器官。數個器官有序地連接起來，共同完成一項或幾項生理活動，就構成了人體系統。

圖1. 3D列印技術原理示意圖

3D列印又稱快速成型、增材製造。

它是一種以數字模型文件為基礎，基於「離散-堆積」原理，運用各種具有一定粘合能力的材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。3D列印技術具有「所見即所得」、成形與製備一體化、短流程現場製造、自動化和高柔性等特徵，特別適合構建個性化和結構複雜的物體。

由於人類個體之間的差異性（也稱為個性化）、人類組織和器官解剖結構的複雜性，將3D列印技術應用於構建活性的人體組織和器官，就成為了必然趨勢。

細胞3D列印技術是，上世紀末以來「醫工結合」的一個結晶——生物學是研究生物的結構、功能、發生和發展規律的科學，其目的是闡明生命活動的原理和調控因素，為醫學健康等領域服務；而工程學是將科學知識或技術的發展應用於工業生產，以達到改造自然目的的手段和方法。正是兩者的碰撞和交叉，使得細胞3D列印技術成為可能，並快速發展。

2 如何進行細胞3D列印

細胞3D列印，是以活的細胞（或幹細胞）為基本構建單元，輔助以生物材料（也稱為生物墨水），在仿生原理和發育生物學原理的指導下，按照預先設計好的計算機模型，通過3D列印技術將細胞/生物材料/生長因子等物質放置在特定的空間位置，並通過層層粘接形成所要求的三維結構體。

該結構體可在體外長期培養，並在合適的培養液和流體條件下，讓細胞在三維環境中增殖和分化。伴隨著人工組織的逐漸生長、發育和成熟，能夠形成具有生理功能的人工組織和器官。

這些人工結構體可以用於在體外進行藥物檢測、生物學研究、疾病發生規律探索等研究，而且我們還可將結構體進行體內移植，以修復、替代和維持病損組織的功能。

圖2 細胞列印工藝原理和設備實物圖

相對於常用的3D列印材料（如塑料、金屬、陶瓷等），細胞是極其脆弱的活性物質，需要生活在溫度、滲透壓、PH、氣體等嚴格控制的無菌環境下。這也是細胞3D列印技術的難點問題和本質特徵之一。

在過去不到20年的研究時間裡，清華大學、哈佛大學、MIT等多所大學和研究機構開發了多種細胞列印技術，根據使能方式的不同可分為四大類：微滴噴墨技術、擠出式生物繪圖技術、雷射輔助細胞列印、立體光刻細胞列印（如圖2所示）。這些技術各有其獨特優勢、局限性以及適用範圍，人們可以需要根據具體情況和需求選擇合適的技術

3 展望未來

近年來，細胞3D列印技術相關研究呈現爆發式增長趨勢。目前已有利用細胞3D列印技術構建人體軟骨、皮膚、肌肉、血管、心肌、肺、神經等組織的報導，雖然目前都還處在實驗室研究階段。令研究者們更為振奮的是，如今國內外已出現多家細胞3D列印設備生產廠家（代表性企業包括，中國捷諾飛生物科技股份有限公司、德國Envision TEC公司、瑞士Regen Hu公司等）。其中我國捷諾飛公司以其列印同步成像反饋控制技術、高保真列印技術等關鍵核心技術創新得到了科研與產業界的廣泛認可，佔據了國內50%以上市場，產品遠銷海外。

總體來說，細胞3D列印研究目前正處於技術積累和真正服務於人民健康的臨界點。隨著大量實驗室研究的不斷湧現，人工結構體的生物功能、批量化穩定生產、全流程多環節質量控制，以及相應法製法規的出臺和完善都將是下一個十年的重要命題。

有理由相信，在不久的將來，細胞3D印表機將成為生物實驗室的常規設備，而高度仿生的工程化人體組織和器官，也將為人類「器官再生」的夢想奠定重要基石。

作者簡介：

姚睿，清華大學機械工程系，特聘研究員，博士生導師。

當幹細胞遇到材料科學，讓骨骼長起來

— END —

- 科普 情懷 責任 -

相關焦點

  • 當「細胞」遇上3D列印
    3D列印技術自誕生以來，應用領域不斷擴大，給人們帶來了許多驚喜。細胞3D列印，就是其中相當耀眼的部分。 為何細胞需要3D列印我們知道，細胞是生物體基本的結構和功能單位。已知除病毒之外的所有生物均由細胞所組成，而病毒生命活動也必須在細胞中才能體現。
  • 當藝術遇上科學會碰撞出怎樣的火花?——市科技館牽手市...
    當藝術遇上科學會碰撞出怎樣的火花？——市科技館牽手市美術館聯合舉辦「當藝術遇上科學」主題暑期親子日活動。當藝術遇上科學，會給暑期的孩子們帶來怎樣的靈感和激情？在8月1日市科技館和市美術館聯合舉辦的「當藝術遇見科學」主題親子日活動上，你可以找到答案。
  • 當三亞遇上OTP,會擦出哪些火花?
    當三亞遇上OTP，會擦出哪些火花？當三亞遇上OTP，會擦出哪些火花？OTP銀行將為消費金融公司帶來先進的風控技術和商業模式，該項目有望成為匈牙利政府與中國政府在一帶一路框架下的代表性合作項目，因而此次合作備受匈牙利政府及OTP銀行的重視。
  • 懸浮生物3D列印：履行生物列印漂浮的承諾
    我們是否能夠改造出適合體內移植的功能組織和器官？3D列印是否可以幫助實現這一目標？在過去的幾十年中，這些問題已經成為組織工程學（TE）領域研究的最前沿，這得益於有關傳統3D列印技術可以適應控制3D空間中高密度細胞群沉積的演示的推動。在不同的技術中，基於擠出的3D列印已被認為是實現TE視覺的最可能技術。
  • 3D列印技術:3D列印珠寶首飾
    3D列印為設計增添了視覺複雜性，已成為創新藝術家和設計師創新性地挑戰傳統珠寶和配飾的推動者。時裝領域多年來一直在應用3D列印技術，以減少產品上市時間和降低成本，但主要是為了開發很難以其他方式製造的產品。對稱性，細節和可用設計的無限結合，為新公司打開了一個完全不同的市場。
  • 當細胞遇上拉曼 會碰撞出什麼樣的火花——訪牛津大學副教授黃巍博士
    細胞是生物體基本的結構和功能單位，此項研究關係著胚胎的發育、癌細胞早期診斷、探索自然環境中佔絕大多數的不可培養微生物等各方面的問題。其實在很早就有科學家研究單細胞的檢測技術，包括顯微鏡、流式細胞儀、微流控及各種分離提取技術等，這些技術可以觀測到細胞的大小、形態等等，但是這些還不夠，其中最關鍵的問題是基於什麼信號來分離和研究細胞，這是科學界需要問的問題，也是儀器界需要關注的問題。
  • 利用3D列印技術，成功從幹細胞培育出心臟細胞……
    根據鄰近細胞發出的信號，這些分裂的細胞會發展或分化成特定的組織或器官。在再生醫學中，在實驗室中控制幹細胞的分化是至關重要的，因為幹細胞可以分化為體外器官的生長，並替代受損的成年細胞，特別是那些複製能力非常有限的細胞，如大腦或心臟。
  • 研究人員利用3D列印技術成功從幹細胞培育出心臟細胞
    所有的人類都是從單個細胞開始，經過分裂最終形成胚胎。根據鄰近細胞發出的信號，這些分裂的細胞會發展或分化成特定的組織或器官。我們所證明的是，3D列印現在已經達到了幾何精度，可以控制幹細胞分化的結果。在這樣做的同時，我們正在推動再生醫學在增材製造業加速發展的同時進一步向前發展。「3D列印技術在生物學領域的應用主要集中在列印人工組織上，即使用帶有細胞的細胞來『一塊一塊』構建人工器官。現在，我們已經證明了3D列印技術在仿生方法上的應用潛力，我們可以控制細胞在實驗室裡的生長，就像它們在體內生長一樣。」
  • 當廣告行業遇到UV印表機會擦出怎樣的火花?
    UV印表機作為一款噴墨數碼印表機，可以在亞克力、燈箱、PVC板，玻璃、瓷磚等等材料上列印。UV印表機的崛起，可以說是掀起了廣告行業新一輪的綠色噴墨革命，那麼廣告行業與UV印表機碰撞在一起能擦出怎樣的火花？UV印表機能給廣告業帶來什麼價值呢？
  • 當量子技術遇到雷射雷達 會碰撞出怎樣的火花
    量子技術，21世紀以來世界科學研究最前沿熱點之一。雷射雷達，一種已被廣泛應用、性能挖掘潛力巨大的探測手段。當量子技術遇到雷射雷達，會碰撞出怎樣的火花？強強相遇，兩敗俱傷還是相得益彰？我們的科學家已用切實成果給出答案——將量子技術應用到雷射雷達，前者的應用範圍得以拓展，後者的性能極限一再突破，而融合二者優勢的量子探測雷射雷達一出現便引得世界矚目。那麼，量子探測雷射雷達有何特別？能做什麼？
  • 生物3D列印技術「列印」出微型腎臟
    一個國際研究團隊通過使用一種新生物3D列印技術，在實驗室內可以快速「列印」出大量微型腎臟類器官，未來有望應用於人體器官移植的相關研究，最終實現用人造腎臟為嚴重腎病患者進行器官移植。 這一新技術由澳大利亞默多克兒童研究所和美國生物技術公司奧加諾沃主導開發。
  • 3D列印，解密未來製造業的「潛力股」
    2019年聖誕節，諾丁漢大學工程學院的研究生製作了200多個3d雪花送給本科大三的學弟學妹們。每一片雪花都是由我們目前正在攻讀增材製造與3d列印碩士學位（additive manufacturing and 3d printing msc）增材製造和3d列印碩士專業的學生親手製作的。
  • 【司青大學習】 青年遇上「十四五」,會擦出怎樣的激情火花?
    【司青大學習】 青年遇上「十四五」，會擦出怎樣的激情火花？>原標題：《【司青大學習】 青年遇上「十四五」，會擦出怎樣的激情火花？》
  • 「3d掃描儀結合3d列印技術」學校3d創新教育的一把利器
    3d創新教育是以培養學生創新精神、創新能力、動手實踐能力為價值取向的新型教育。在3d創新教育中，我們要如何讓「3d掃描儀、3d列印技術」這兩把利器發揮重要作用呢？從提供3d掃描獲取數據到3d設計、數據再創造再到3d列印創意實現的完整解決方案是廣大師生的呼聲，更是教育改革時代背景下的一條創新之路。
  • 什麼是3D列印技術?
    對於從未接觸過3D列印的童鞋來說，總覺得3D列印特別遙遠。今天晴子老師來為你們揭開3D列印的神秘面紗——通俗易懂的給大家介紹什麼是3D列印技術。主要從：技術原理、3D列印過程、3D列印應用領域三方面介紹。什麼是3D列印技術近幾年來，3D列印這個名詞從陌生到熟悉，逐漸走向人們的生活和工作中。
  • 當幹細胞「遭遇」3D列印
    原標題：當幹細胞「遭遇」3D列印 當幹細胞「遭遇」3D列印 南京醫科大學用支架上的骨髓血生成人造軟骨 　　■最新發現與創新 　　科技日報訊 （記者張曄 通訊員田天）從兔身上取出骨髓血，放在3D列印出的支架上，在體外經過4周的培養，再接種至裸鼠皮下培養，最終可以長出所需要的軟骨組織，而支架將在體內經過2年時間被緩慢降解
  • 2020年中國3D列印材料行業市場現狀及發展前景分析 未來金屬3D列印...
    未來金屬3D列印材料將迎來新爆發期經過30多年的發展，3D列印技術不斷完善，目前已形成了3D生物列印、有機材料列印、金屬列印等多種列印模式，我國3D列印材料仍以工程塑料為主。2019年7月，主營業務為金屬列印的鉑力特在科創板上市，前瞻預計未來金屬3D列印材料將迎來新的爆發期。
  • 當女科學家遇到溫州女企業家，她們會碰撞出哪些火花？
    當女科學家遇到溫州女企業家，她們會碰撞出哪些火花？中廣核俊爾新材料有限公司總經理、全國婦聯執委陳曉敏向女科學家一行詳細介紹了公司經營情況、公司文化，並就公司產品技術研發環境在俊爾環保實驗室內與科學家們展開溝通探討。
  • 研究人員利用3D列印製造微型樂高式「骨磚」
    此外，3d列印技術的進步使得針對患者的可植入結構的設計更具可擴展性，在某些情況下可以在醫院現場生產。因此，組裝這些複雜的組織不再需要專門的設備，這反過來減少了與種植生產有關的準備時間。 然而，一個理想的支持系統的開發已經被證明是難以實現的，這也是為什麼該技術在醫院環境中沒有廣泛應用的原因之一。
  • 未來器官也可以用3D列印——3D生物列印技術
    ，一層細胞逐層列印，熱敏膠材料經過溫度的調控後會降解，形成含有細胞的三維結構體。—集成式的組織和器官列印技術，該列印技術能夠構建出結構穩定具備功能的人耳器官、骨骼和肌肉組織，更重要的是這些組織器官融入微通道，能夠維持其繼續生長形成血管、軟骨等系統，從而發揮功能。