模拟人体组织:生物3D打印下的个性化医学

本文综述了生物打印在模拟人体组织器官及个性化医疗中的应用，重点介绍了材料挤出、喷射、 vat 光聚合等生物打印技术，分析了生物墨水中天然与合成聚合物的类型及修饰策略，探讨了聚合物的流变学、刚度、降解性等关键性能，阐述了多能干细胞（如 iPSC） 在生物打印中的应用潜力，并列举了心脏、肌肉骨骼、皮肤、肝脏、血管及癌症等生物打印组织模型的研究进展，最后讨论了该领域面临的挑战与未来前景，强调生物打印在个性化医疗中的重要价值。

思维导图

1. 引言

• 现有模型缺陷：2D 细胞培养忽略组织微环境复杂性，动物模型因遗传、生理差异导致人体预测性差。
• 生物打印的价值：通过精确空间定位材料和细胞，生成具有复杂功能和结构的 3D 组织类似物，为组织工程（TE）和再生医学（RM）提供新途径。

2. 生物打印技术

1. 材料挤出系统：通过气动、活塞或螺杆驱动，以连续细丝逐层沉积生物墨水，粘度要求 30-25×10³ mPa・s，需具备剪切变稀特性，分辨率 20-200μm，优势是兼容性强、操作简便，但高剪切力可能影响细胞活力，可通过交联、共挤出等策略提升稳定性。
2. 材料喷射技术：以液滴形式沉积，分连续流式和按需滴落式，按需滴落式通过压电、热等方式驱动，粘度需为水的 10-100 倍（约 3.5-30 mPa・s），分辨率 45-220μm，高分辨率但粘度范围窄、易堵塞喷嘴，不同驱动方式各有特点。
3. Vat 光聚合技术：基于光引发聚合，含立体光刻（SLA，分辨率约 1μm）和双光子聚合（2PP，分辨率 100nm），需光敏感材料，自由基和 UV 光可能损伤细胞。

激光辅助生物打印（LIFT）：以脉冲激光转移材料，无需喷嘴，粘度范围 1-300 mPa・s，分辨率约 20μm，激光能量可能导致细胞死亡，需优化参数。

3. 生物墨水中的聚合物

• 基础聚合物：

• 天然聚合物：如胶原（生物活性高但力学稳定性低）、明胶（热可逆凝胶）、海藻酸盐（离子交联）、透明质酸（HA，可修饰增强稳定性）。
• 合成聚合物：如 PEG（生物惰性，可修饰生物活性基团）、PNIPAAm（温敏性）、自组装肽（生物相容性好）。
  • 交联修饰：
• 化学交联：(甲基) 丙烯酰化、硫醇 – 烯反应、酶介导交联（如 HRP 催化酪胺）等。
• 物理交联：肽 / 寡核苷酸共轭、主 – 客体相互作用（如 β- 环糊精与金刚烷）等。
  • 生物墨水功能化：引入细胞粘附基序（如 RGD 肽）、酶切位点（如 MMP 敏感肽）以增强生物活性。

4. 聚合物的结构与性能

• 流变学：

• 粘度：影响可打印性和细胞活力，挤出型墨水粘度通常 30-25×10³ mPa・s。
• 剪切 thinning：降低喷嘴内粘度，保护细胞，如 gelMA 的剪切 thinning 特性。
• 屈服应力：防止细胞沉降和打印后变形，合适范围 2 Pa-2 kPa。
  • 刚度与网络拓扑：刚度影响细胞分化（如 1kPa 适合神经细胞，100kPa 适合骨细胞），网络异质性可能促进细胞重塑。
  • 降解性：通过酶解（如 MMP 敏感交联）或水解实现，需匹配组织再生速率。

5. 多能干细胞与生物打印

• 应用价值：iPSC 可来源于患者，携带遗传突变，适合疾病建模和个性化治疗。
• 挑战：干细胞对剪切力敏感，需优化生物墨水的流变学和刚度以维持其表型和分化能力。

6. 生物打印的组织模型

• 心脏：模拟心肌层结构，使用 iPSC 衍生心肌细胞，实现同步收缩。
• 肌肉骨骼：构建骨 – 软骨界面模型，通过共挤出增强力学性能。
• 皮肤：生成含表皮和真皮的全层模型，模拟屏障功能。
• 肝脏：复刻肝小叶结构，用于药物代谢和毒性测试。
• 血管：通过牺牲墨水构建可灌注通道，模拟血管网络。
• 癌症：模拟肿瘤微环境（TME），用于研究转移和药物筛选。

7. 结论与展望

• 挑战：技术分辨率与速度的平衡、生物墨水性能优化、临床转化的标准化与监管。
• 前景：4D 生物打印、器官芯片集成、干细胞与基因编辑结合，推动个性化医疗发展。

关键问题：

不同生物打印技术在打印精度和适用材料上有何核心差异？
答案：材料挤出技术分辨率较低（~20-200μm），适用于高粘度材料（30-25×10³ mPa・s）；材料喷射分辨率较高（~45-220μm），仅适用于低粘度材料（1-150 mPa・s）；vat 光聚合（如 2PP）分辨率最高（100nm），适合低粘度光敏感材料；激光辅助技术（LIFT）无喷嘴限制，粘度范围 1-300 mPa・s，分辨率～20μm。

生物墨水设计中需平衡哪些关键性能，以同时满足打印需求和组织成熟？
答案：需平衡可打印性（如粘度、剪切 thinning、屈服应力）与生物相容性（细胞活力、粘附），力学性能（刚度匹配目标组织）与降解性（匹配组织再生速率），以及生物活性（如细胞粘附基序、酶切位点）。例如，gelMA 需通过调节甲基丙烯酰化程度平衡打印精度和细胞功能。

多能干细胞（如 iPSC）在生物打印中应用的主要挑战是什么？
答案：iPSC 对剪切应力敏感，生物打印过程中的高剪切可能导致细胞损伤；需设计特定生物墨水以维持其 pluripotency 或引导定向分化；打印后构建体的长期培养中，需模拟体内微环境以支持组织成熟，如血管化以避免缺氧。

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