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生物三维打印技术的研究现状及发展趋势
【摘要】201 2年英固《经济学人》杂志将三维打印 誉为“第三次工业革命的重要标志之．．”。5D打印正在引发全球制遣业革命性变革，它与生物技术结合形成了一个重要的分支一生物三维打印。生物三维打印是 5D打印技术研究的最前沿领域，也是5D打印技术中最具活力和发展前景的方向，本文综述了生物三维打印技术的研究现状及发展趋势。
【关键词】生物5D打印；生物医学工程；研究现状；发展趋势；学术论文 1．前言
三 维打印(T hree Dim ensi on P rinting，3DP)正在国内外掀起新一轮研究热潮，引发全球制造业产生革命性变革。2012年 英国《经济学人》杂志誉共为“第三次工业革命的重要标志之一”，并称其为“制造业未来的趋势”。美国《时代》周刊近期将3D打印列为“美国十大增长最快的 工业”。2013年，美国总统奥巴马在新任期内的酋份国情咨文指出美国在新一轮的科研发展中需要大力发展3D打印技术，觉得“3D打印有潜力去改变现有制 造事物的方式”。2013年7月习近平主席在考察东湖高新区时指出：“这个技术(3D P)很重要，要抓紧产业化。”
生 物三维打印(Bio-3DP)是三维打印技术的一个分支，它是在三维打印技术在生物医学领域中的交叉应用。生物三维打印是以生物材料或活细胞进行三维打 印，以构建复杂生物三维结构，如个性化植入体、可再生人工骨、体外细胞三维结构体、人工器官等。它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术 中最具活力和发展前景的方向。
2000年在德 国Freiburg大学召开了“快速成型技术在生物医学的应用研讨会”，会上首次探讨了以3D打印技术为基础的组织工程支架和器官打印技术的发展。此后，以组织器官修复与重建为目的，国际上开发了各种生物3D打印技术包括用于组织工程支架构建的熔融挤出技术；基于喷墨技术的细胞打印，细胞和细菌的激光直写 t细胞和细菌的微接触印刷等。
2． 生物三维打印技术引发新一轮研究热潮
被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”的3D打印，正在迅速发展成为生物医学工程中的一项热门研究技术，其相关研究已在国内外掀起新一轮研究热潮。目前国内各级部委，科研院所、企业、医院、投融资机构等已充分意识和重视到该技术的重要意义和诱人前景。
2013 年8月22日，在北京市科委的支持下，北京新材料发展中心组织召开了“北京生物三维打印前沿技术研讨暨成果对接会”。清华大学、北京工业大学、北医三院、等3O余家科研院所、企业、医院、投融资机构参加了此次研讨。与会专家就生物三维制造技术现状、发展及前景展望做了专题报告，并认为我国在生物医学领域的 长足发展，及制造领域的传统优势资源与生物三维打印技术结合，具有发展生物三维打印技术及相关产业的优势。
2014 年1月l7日，由中国生物材料学会主办、清华大学承办的„生物三维打印高层论坛”在清华大学紫光国际交流中心成功召开。国家科技部社会发展司、国家工信部 装备司、国家食品药品监督管理总局相关领导、两院院士(5位)、以及国内多所知名高校、科研机构学者、专家和企业界人士近80人参加了此次论坛。专家们一 致认为生物三维打印将成为支撑第三次产业革命中生物材料与产业发展的关键技术，生物三维打印技术的兴起和发展必将为我国的生物医学工程及相关产业链发展带 了新一轮的增长点和机遇!
生物三维打印技术的巨大潜力，同时引起了欧美等发达国家的重视。欧盟委员会在《制造业的未来：2015-2020战略报告》中提出将重点发展生物材料、仿生材料和人工假体制造技术，并将生物技术列为支撑制造业未来发展的四大学科之一。
美 国在(2020年制造技术的挑战》中将生物制造列为l1个主要发展方向之一。当前，由美国国家科学基金会(N SF)和美国国家健康研究院(N IH)已 经联合启动开展了与生物三维打印有关的5项重点科研计划。2009年由美国国家科学基金会和美国南卡罗来纳州(South C aroli n a State)总投资四千万美元共同资助的南卡罗来纳州器官生物制造研究计划。
3．生物3D打印技术的应用及发展趋势 生物3D打印包含的内容十分广泛，但可以根据所成形材料的生物学性能不同，将生物制造技术分为四个层次的应用：
(1)个性化体外模型制造：材料为无需生物相容性的工程材料，主要制造个性化体外器官模型、仿生模型等，用于手术规划、假肢设计、测试标准等。
(2)个性化植入体制造：材料为具有优良生物相容性，不降解材料，如：钛合金、聚氨酯等，可制造人工假肢植入物，用于人工器官、整形等。
(3)可降解组织工程支架制造：材料为既具有优良生物相容性，又能被生物降解的材料，如：胶原、聚乳酸等，可制造各种组织工程支架，应用于组织再生与修复等。
(4)细胞三维结构体的人工构建：材料为活细胞及其外基质材料，如：肝细胞一明胶、干细胞一纤维蛋白原等，用于构建三维细胞结构体，体外三维细胞模型及组织或器官胚体等。
这 四个层次是生物3D打印所提供的具体生物材料成型应用手段，对生物医学领域的基础研究、药物开发和临床应用都具有重要的促进作用。它们的应用研究预示着生 物3D打印必然将向更高层次、更为复杂的生物材料、生物组织、生物器官构建发展。其研究的发展趋势及重点预计包含以下几方面：
(1)细胞3D打印，即通过生物3D打印对细胞进行受控组装。高效单细胞精确打印技术、材料与细胞共打印技术、三维培养(生物反应器)技术等预计将会成为细胞3D打印的发展重点。这些技术是生物3D打印得以实现和满足生物学要求的核心。
(2)个性化组织工程支架和植入体打印。典型的需求应用如骨植入体的个性化仿生打印。在美国，骨修复材料市场每年超过200亿美元，这是一个需要高度个性化订制的生物医学材料产品。通过生物3D打印有望很好地实现患者骨缺损的个性化治疗。
(3)生物活体组织，器官构建。在组织器官解剖结构模型指导下，通过生物3D打印定位装配细胞、材料单元，制造组织或器官前体。通过构建的活体器件，这些定位组装的细胞自发的迁移、扩散、自组织进而形成了一个活体器官。
(4)药物研发领域的生物模型打印。药物的开发产业是一个投入非常大，但是成功率很低的产业。201 1年美国制药工业协会新药研发投入约为674美元，而其中 光辉瑞一家就投资了94tL美元，然而真正原创型新药的开发速度很慢，其瓶颈问题在于新药开发需要高通量的筛选过程。生物3D打印技术有望构建人工的组织 器官，用以进行有效的药物筛选。如打印类肝组织模型，代谢综合症模型等将是生物3D打印重要发展方向。
4结论
生物3D打印是3D打印技术的一个重要分支，它是在3D打印技术在生物医学领域中的交叉应用。目前，国内外生物3D打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，抓住生物3D打印技术新一轮发展浪潮，对发展我国生物材料研究步人国际先进水平具有十分重要的意义。
