（了解生物組織制造各種工藝的工作原理及其特點）了解生物組織制造工藝目錄/CONTENTS2.生物3D打印原理

了解生物3D打印的基本原理。023.生物3D打印工藝介紹各種生物3D打印工藝。031.生物3D打印概念從廣義和狹義兩方面去了解生物3D打印。014.生物3D打印應用介紹生物3D打印在各領域的應用。04廣義上來說，直接為生物醫療領域服務的3D打印都可以視為生物3D打印的范疇，可分為四個層次：第一層次為制造無生物相容性要求的結構，如手術導板；第二層次為制造有生物相容性要求的不可降解的制品，如鈦合金關節、缺損修復的硅膠假體等；第三層次為制造有生物相容性要求的可降解的制品，如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等；第四層次就是狹義生物3D打印，即操縱細胞構建仿生三維組織，如打印藥物篩選及病變機理研究用的細胞模型、肝單元、皮膚、血管等。在維基百科上，生物3D打印詞條采用了狹義的概念。

我們也基于狹義的定義來講述生物3D打印。Part1生物3D打印概念

生物3D打印是將生物材料（水凝膠等）和生物單元（細胞、DNA、蛋白質等）按仿生形態學、生物體功能、細胞生長微環境等要求，用3D打印的手段制造出絕緣油個性化的生物功能結構體的制造方法。Part2生物3D打印原理從制造角度來看，生物3D打印面臨兩個難題：一是控形，即需要尋找合適的水凝膠材料并開發穩定的打印工藝，以確保載細胞的水凝膠利用交聯特性精確成形；二是控性，即需要提供給打印結構體特定的生長環境并進行功能化誘導，使得獨立的細胞個體合成有功能的組織。現在的研究大都圍繞解決這兩個難題，從材料、工藝、裝備、應用四個方面努力實現生物3D打印技術的突破。與傳統制造方法相比，生物3D打印有三個顯著特點：材料變為載細胞的水凝膠材料（稱為生物墨水），成形變為水凝膠所特有的交聯成形，加工后處理變為細胞的功能化誘導。Part2生物3D打印原理（1）噴墨式生物3D打印

噴墨式生物3D打印與傳統的2D噴墨打印系統類似，其利用壓電或熱力驅動噴頭，將生物墨水分配成一系列的微滴，經過層層打印，成形含有細胞的三維結構。

由于可以將商用的噴墨打印機改造成三維的噴墨式生物3D打印機，因此，噴墨式生物3D打印被認為是最早，也是成本最低的生物3D打印技術。但由于噴頭驅動力較小，無法打印高黏度和高濃度的生物墨水；另外，打印過程中可能會對細胞產生機械或者熱損傷。Part3生物3D打印工藝（2）激光直寫式生物3D打印

采用該技術時，首先將一層激光吸收材料涂覆在玻璃基底上，再將生物墨水均勻地鋪展在激光吸收層表面。然后激光穿透玻璃基底使吸收層材料產生氣泡，通過氣泡的膨脹驅動材料和細胞脫離玻璃基底而沉積到成形平臺上。通過三維運動平臺驅動玻璃基底或者成形平臺運動，三維結構就可以制造成形。激光直寫技術是一種無噴頭的噴墨式打印方式。這種技術可以避免生物墨水與處理裝置的直接接觸，從而避免了機械裝置對細胞的損傷，因此，細胞具有很高的活性。該工藝可以打印高黏度的生物材料，而且適用的材料范圍也比噴墨打印廣泛。但由于基于該原理的打印機成本較高，缺乏商業的打印裝置；每打印一層后，在激光吸收材料上涂覆生物墨水比較耗時，且產生微滴的重復性還不夠，因此目前大部分對此的研究還停留在工藝討論上，限制了其應用。Part3生物3D打印工藝（3）擠出式生物3D打印

擠出式生物3D打印是從噴墨式打印技術演變過來的，是目前應用最廣泛的生物打印。該技術利用氣壓或者機械驅動噴頭將生物墨水可控擠出，堆積在成形平臺上形成二維結構。隨著噴頭或者成形平臺的上下運動，二維結構層層堆積形成三維結構。擠出式生物3D打印通過連續擠出不間斷的纖維，可以打印黏度較高的生物材料，或者是不同黏度的生物材料和不同濃度的細胞，因此可打印材料的適用范圍較廣，也可制造出結構強度較好的組織結構。Part3生物3D打印工藝（4）光固化式生物3D打印

光固化打印技術最初被用在細胞支架的制造。支架制好后，再在表面種上細胞，因此，支架和細胞材料不是一起成形的。后來，光固化打印技術才被用于生物3D打印。目前，光固化式生物3D打印所用光源有紫外光、數字光以及可見光，所開發的裝置有上下移動式和轉軸式的。Part3生物3D打印工藝（1）軟骨打印

軟骨組織的細胞組成比較簡單，并且沒有復雜的毛細血管，所以使用生物打印制造軟骨組織的研究比較多。Part4生物3D打印應用（2）皮膚打印

皮膚是人體最大的器官，起到維持體內平衡和保護作用，其垂直的分層結構為體內水分的出入和外源物的進入提供了保障。這種典型的分層結構特別適合用生物3D打印來制造。（3）血管打印

利用生物3D打印方法制造血管結構或血管流道網絡一直是組織工程領域的研究熱點。目前利用生物3D打印有兩個不同的制造目標：一是仿結構，直接打印模擬血管結構特征的凝膠管，另一種是仿功能，間接構造模擬營養輸送功能的流道網絡。Part4生物3D打印應用（4）腫瘤模型打印

（5）復雜組織器官打印

人體內大部分組織器官都是由不同功能的細胞、不同尺度的結構組成的。應用生物3D打印技術制成這些結構一直是研究的熱點。Part4生物3D打印應用思考與練習1.

如何從廣義層面上來定義生物3D打印？狹義生物3D打印是什么？2.

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