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3D生物打印技术 汪天行 16307130183 技术原理 3D打印构成了新一轮技术创新和产业变革的不可或缺的力量，在3D打印技术的应用领域中，生物医疗已经成为了其重要范畴。目前，生物3D打印技术已经被广泛应用于术前规划、体外医疗器械、金属植入物等领域，且以可降解体内植入物和3D打印生物组织/器官等方向作为发展主要方向。 3D生物打印技术是一项融合了制造科学与生物医学的一项具有交叉性和前沿性的新兴技术，其基于离散-堆积成形原理，以活细胞、生物活性因子及生物材料的基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构。目前生物3D打印主要有三种打印方式：挤压成型生物打印（extrusion-based bioprinting, 简称EBB）、液滴喷射生物打印（droplet-based bioprinting or inkjet, 简称DBB）以及激光辅助生物打印（Laser-based bioprinting, 简称LBB）。 EBB是目前最常用的3D生物打印技术，市场化程度也最高。其工作原理类似传统的3D打印技术FDM(Fused Deposition Modeling)，FDM是将打印材料融化，然后挤压成丝(filament)打印出来，凝固后形成设计的形状。EBB是用机动或气动的方式产生压强，将生物墨水（Bioink：仿生物材料，起到支撑细胞的作用）从针头挤出（图1）。这种打印方式的优点在于可以选择针头大小，并且调节压强与温度来控制打印速率和分辨率，拥有比较高的精确度（精确到5微米），并且成本相对较低。但弊端在于由于没有足够的粘性，流体材料无法线性地打印出来，不适用于流体材料。相反，打印材料由于高粘性容易堵塞针头。 图（1） DBB的工作原理类似于生活中用的喷墨打印机。生物墨水成滴状打印出来，喷头通常数量较多来提高打印速度。常见的喷绘方法有三种：压电效应(piezoelectric)，热(thermal)，和气压(pneumatic)（图2）。三种方法都是通过改变压强来喷出滴状墨水。 液滴喷射打印每次喷出一滴墨水，挤压成型打印则是连续的长条形状。液滴喷射打印和挤压成型打印的其他区别在于它使用了更细的喷头，通过喷射的方式可以打印流体材料，因此具有很高的材料适用性，并且它的打印速度相较于挤压成型打印更加的快速。但它的缺点在于精确度相对较低，喷射出的液体存在溅射，所以精度只能达到挤压成型的十分之一左右（约50微米）。 图（2） 以上两种打印技术虽然都已经达到了很高的精确度，但是相较激光辅助生物打印还是有所差距。因为EBB,DBB打印技术的精确度局限于导出材料的物质特性（比如材料堆叠时形成的间隙），材料流动时产生的剪应力以及打印针头的直径等等。 LBB是利用化学上的聚合作用（photopolymerization) 激光使含有细胞聚合物（photosensitive polymer）产生交叉链接（cross-link）从而硬化形成固体。由于采用的是激光投射，精确度很高可以打印复杂的形状以及结构。常见的LBB有两种形式，一种是LIFT（laser induced forward transfer）(见图3)，原理是将激光反射到一层含有细胞的生物材料上，被激光定点照到的那部分会形成液滴落下，通过激光扫过不同区域来形成需要的形状。另一种是数字激光打印DLP（digital light printing），原理是将激光通过数以万计的微小镜子（DMD，digital micromirror）反射到生物材料上，通过改变每个镜子的角度可以反射高精确度的图案，被反射的光照到的材料会硬化从而形成最后想要的形状，因为使用了棱镜折射技术，单条激光射线可以同时打印一块区域，它的打印速度非常快（大于1mm/s）。 图（3） 技术应用 3D 生物打印目前已经有一些成功案例,比如用于重建皮肤组织。皮肤的角化细胞和纤维原细胞可以利用挤压式技术累叠，并通过一定时间的培养形成具有上皮和真皮的组织细胞。对于生物打印领域的当前状态，3D皮肤构建体可以构建基于成像数据和与其它相对难度较低的较厚组织与器官。技术成熟后，打印皮肤结构将与天然皮肤组织十分相似。皮肤生物打印的进一步发展，未来将能够实现为患者伤口按需定制符合自体皮肤的构建体，另一个有趣的应用是在伤口治疗中，进行皮肤原位生物打印。生物打印出的体外肺三维模型已被应用于药物筛选和检测，利用挤压成型打印法打印出均匀的细胞和人工基底膜从而来模拟肺的功能。 3D生物打印的一个应用是打印微流控分析芯片。微流控芯片技术把生物化学医学分析过程的样品制备，反应，分离，检测等基本操作集成到一块微型芯片上完成。一个例子是数字激光打印（DLP）。其工作原理是使用数字激光打印，激光通过微型镜反射照射在涂在聚合材料的版面上使其部分聚