谢世莹 叶思思
摘要：近年来随着3D打印技术的逐渐成熟，3D生物打印皮肤再生成为可能并有望于未来投入现实解决患者皮肤疾病治疗。对比于自体皮肤移植，传统皮肤组织工程技术而言，生物三维打印技术具有快速逐层打印，细胞定位精确等特点。本文对组织工程、生物3D打印技术进行简单介绍，并比较现有的三种3D打印技术方法优劣。
关键词：生物3D打印;生物材料;皮肤再生;疾病治疗
中图分类号：G4 文献标识码：A
一、组织工程的皮肤研究
皮肤是人体最大的器官，能有效的保护机体免受外界的伤害。当人体皮肤受到外界创伤大面积溃烂无法自动愈合时，如今最有效的治疗方式就是皮肤移植。组织工程作为一门新兴学科，在医学上提供了生物工程合成皮肤移植的思路，即用“假皮肤”替代“真皮肤”，有效解决了患者皮源缺乏的问题。
二、生物3D打印技术研究
相较于传统组织工程研究方法，生物3D打印基于快速成型分层制造的原理，可将细胞等物质准确输送与定位，构建具有仿生三维结构及功能的类组织前体，为构建复杂仿生结构的组织模型研究提供了新的技术可能。目前有多种生物打印技术，按照原理主要分为如下三种：喷墨生物打印、激光生物打印、挤出沉积生物打印技术[2]。
（一）激光生物打印技术
激光生物打印技术（BioLP）是在激光诱导前向转移（LIFT）技术的基础上发展而来的[3]。LIFT是一种直写技术，可写不同的图案，分辨率较高，第一次改革是1999年由美国海军实验室一项研究（基质辅助脉冲激光溅射直写技术MAPLE-DW）中发现，如果将经过冷冻处理的溶剂材料加入转移材料中，可成功打印出活的大肠杆菌和小鼠多功能胚胎癌细胞，第二次改革是将MAPLE-DW改进为用于生物打印的设备，该设备在2004年由Barron等人命名为BioLP，在基底靶板和材料层中加入了光吸收层，避免激光直接照射到生物材料上，高温影响细胞活性，所以该设备目前在三维打印领域使用较广[4]。激光生物打印（BioLP）装置主要由激光源、靶板和接收层组成。激光源主要采用单波长、单脉冲激光器，靶板则由透明基片、光吸收层、生物溶液涂覆层组成，接收层用作缓冲层，一般指的是普通的载玻片，靶板中的透明基片通常采用对激光几乎零吸收的石英载玻片，激光吸收层则大多数采用金属或金属氧化物镀膜而成，少数采用高分子聚合物薄膜，生物材料涂覆层一般是指将细胞和生物材料混合涂覆的层。
激光辅助打印技术都存在一个比较大的缺陷，当激光照射到指定位置的时候，因为光线强度过大，很有可能导致相邻部分的感光聚合材料发生聚合，使精确度大幅度降低。其次，激光辅助打印需要的感光聚合材料十分昂贵，单次打印对于材料的利用率也不如喷头类打印高，因此在控制成本这一方面并没有很大竞争力。
（二）喷墨生物打印技术
最早用于器官打印的技术是喷墨生物打印技术，为非接触式打印，工作原理类似生活中用的喷墨打印机（inkjet）。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，热，和气压。过程中的高温和高压会对细胞造成无法修复的伤害，影响打印后组织的活性[5]。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，不同机械臂可同时沉积细胞和材料，打印细胞的密度和材料的黏度也可控制，打印皮肤厚度为1100–1400μm，细胞活性大（>86%），打印速度快（每秒至少1500滴）[6]。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）。
基于喷墨生物打印两层胶原后喷洒一层成纤维细胞，接着打印6层胶原，再在表面打印2层角质形成细胞，打印过程所使用的交联剂为碳酸氢钠。由于中间6层胶原厚度比较大，为了加强细胞间的交流，在6层胶原中打印通道，用明胶作牺牲材料，低温打印胶原和明胶的混合物，打印后组织在37℃，5%的CO2环境中培养时，明胶会变为液体流出管道，有助于皮肤组织的形成，而且可形成类似于血管的灌流通道。组织培养后两层之间的间隙大约为75μm，说明三维打印表皮层和真皮层间的相对间隙宽度可以通过改变其间的胶原层的数量来调节，后期应用于临床可适用于不同人种的皮肤有重要意义[7]。
（三）挤出沉积生物打印技术
是目前在研究和工业领域最常用的生物3D打印技术，市面上也已经有很多应用此技术的打印机。其工作原理类似传统意义上的3D打印技术FDM（Fused Deposition Modeling），FDM是将打印材料融化，然后挤压成丝（打印出来，凝固后形成设计的形状。EBB 是将生物“墨水”利用机动或气动的方式产生压强，将“墨水”从针头挤出来。这种打印方式的优点在于可以选择不同的针头大小，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。但是打印的弊端就是无法适用于流体材料，因为没有足够的粘性，流体材料无法线性地打印出来。其次，由于打印的材料有很高的粘性，针头容易产生堵塞。
三、未来展望
相对于诸多缺点的传统皮肤移植，生物3D打印技术为研究皮肤再生提供了新的思路。作为最早应用于临床的组织工程产品，对比于其他动物器官，三维打印皮肤积累了更丰富的临床经验，可以控制打印皮肤的层数、细胞密度并精准的放置细胞和材料;技术成熟后，打印皮肤结构将与天然皮肤组织十分相似。近年来越来越多的科研人员从事该方向的研究，逐步完善生物工程合成的“新皮肤”，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，并用于临床治疗或者检测药物上，化妆品安全性测试和经皮药物渗透性测试等等。
参考文献
[1] Pereira R F， Barrias C C， Granja P L， et al. Advanced biofabrication strategies for skin regeneration and repair[J]. Nanomedicine， 2013， 8（4）： 603-621.
[2] Qian D J， Guo X K， Duan H C， et al. An application of embryonic skin cells to repair diabetic skin wound： A wound reparation trail[J]. Experimental Biology and Medicine， 2014， 239（12）： 1630-1637.
作者簡介：谢世莹（2001.02-），女，汉，浙江省绍兴市越城区，本科在读，绍兴文理学院生命科学学院，研究方向：教育学，生物学。
