3D生物打印构建类器官与器官芯片的研究进展及应用

  在医学和生物工程领域，对能精准复制人体复杂结构和生物功能的3D模型需求日益增长，3D生物打印作为一项前沿技术，可利用含细胞、生长因子和生物材料的生物墨水构建具有仿生功能和稳定机械性能的复杂组织，在疾病建模、药物发现和精准医学等方面展现出超越传统2D模型和动物模型的优势。然而，该技术在商业化进程中面临生物伦理与法律问题，以及新型生物材料创新不足的挑战。来自郑州大学第一附属医院的韩新巍和刘灶渠团队在《Medicinal Research Reviews》期刊上发表了题为“3D Bioprinting for Engineering Organoids and Organ﹐n゛〤hip: Developments and Applications”的综述。文章系统总结了3D生物打印在构建类器官和器官芯片功能组织模型的基本技术及优势，深入探讨了其在药物发现、筛选和精准治疗等领域的广泛应用，同时聚焦现有技术的制约因素，明确提出了未来的研究方向。

文章内容
     介绍了喷墨生物打印、挤压生物打印、激光辅助生物打印和立体光刻生物打印这四种主要的3D生物打印技术，包括每种技术的关键要点、优势、劣势及相关参考文献，还展示了它们的技术原理和发展历程。
 

E-jet 3D打印设备通过打印结直肠癌细胞、癌症相关成纤维细胞和肿瘤内皮细胞，构建并表征了3D生物打印的肿瘤微环境，该环境为基质细胞、癌细胞、免疫细胞和细胞外基质蛋白之间的动态相互作用提供了重要框架，这些相互作用在促进成纤维细胞活化、细胞外基质调节、免疫抑制和血管生成等抗肿瘤活动中发挥重要作用，且肿瘤细胞在特定条件下可诱导正常成纤维细胞和内皮细胞分别转化为癌症相关成纤维细胞和肿瘤内皮细胞。  
 

展示了3D生物打印模型在药物毒性筛选中的应用，当前药物毒性筛选多通过动物进行，但动物反应不总能代表人类反应。将手术切除的肝细胞癌样本消化成细胞悬液，过滤后与海藻酸钠和明胶混合形成生物墨水，在3D细胞打印机的建模腔中生成患者来源的3D生物打印肝细胞癌，可更好地预测药物毒性并减少人类临床试验所需的动物数量。
 

呈现了3D生物打印技术的应用，该技术可重新配置细胞、生长因子和生物材料为三维器官和组织，包括3D生物打印类器官、器官芯片和诱导多能干细胞衍生类器官等模型，这些模型可通过生物打印技术高通量开发，用于药物发现、药物筛选和个性化医学等领域，其整合旨在桥接临床前研究和临床结果，优化精准医学策略。
 

结论
      3D生物打印技术在生物医学领域应用广泛且深入，其克服了二维细胞培养的局限性，能精准模拟微环境，具有高重复性，相比传统细胞培养方法优势显著。该技术可精准沉积细胞和生物材料，重现肿瘤微环境的复杂性，助力自体组织和器官的按需生物制造，创建共培养构建体。将其应用于类器官和器官芯片，能提高组织工程和生物制造的产量，还可用于生产相关模型、生成药物输送载体、模拟癌症药物敏感性以帮助选择治疗方案，同时减少动物实验的需求。不过，该技术要更广泛应用，还需解决生物伦理、新型生物材料生产、维护知情同意和保密原则以及推进商业化等挑战。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/med.22121