3D 生物打印组织器官治疗全身疾病与局部损伤
图 1. 主要生物打印技术概述：a) 挤出式（气压/机械/支撑浴/混沌/同轴），b) 喷射式（热/压电/微阀/激光/声/电液动力），c) 光聚合式（SLA/DLP/双光子/体积打印）
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | 3D bioprinting of tissues and organs for systemic diseases and localized injuries |
| 期刊 | Military Medical Research, Volume 13, Issue 1, December 2026, 100006 |
| DOI | 10.1016/j.mmr.2026.100006 |
| 作者 | Wei Long Ng, Paulo Bartolo |
| 机构 | 南洋理工大学 新加坡 3D 打印中心 |
| 影响因子 | 22.9 |
| 类型 | 综述 |
| 许可 | CC-BY（开放获取） |
核心科学问题
3D 生物打印如何从实验室原型走向临床转化？
本文系统综述了 3D 生物打印在全身疾病建模（心血管、内分泌/代谢、神经退行性疾病）和局部组织修复（皮肤、肌肉、软骨、骨）中的最新进展，分析了三大打印技术路线（挤出式、喷射式、光聚合式）的优劣势，并指出多模态打印、机器学习辅助优化、GMP 标准化是未来临床转化的关键路径。
三大打印技术路线
1. 挤出式生物打印（Extrusion-based）
原理：气压或机械驱动连续挤出细胞-生物墨水复合物
关键特性：
- 分辨率：>300 µm
- 材料兼容性：最广，覆盖低粘度到高粘度全部范围
- 细胞密度：可达 3.0×10⁸ cells/mL
- 构建体积：适合临床尺寸的大型构建体
核心优势：
"Extrusion-based bioprinting is the most widely adopted approach due to its versatility, ability to process bio-inks across a broad viscosity range, and suitability for fabricating large, mechanically robust, and anatomically relevant constructs."
主要局限：
- 微尺度精度有限（<100µm 困难）
- 挤出剪切力损伤细胞（存活率降低 10-40%）
- 厚多层构建体中血管网络重建困难
三大变体方案：
| 变体 | 原理 | 优势 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 支撑浴打印 | 在屈服应力介质中挤出，自愈合保持形状 | 低粘度墨水高分辨率打印，25µm 微颗粒可达 20µm 分辨率 | 高细胞密度打印、各向异性组织 |
| 混沌打印 | Kenics 静态混合器内螺旋分裂重组 | 多材料微结构，低剪切应力 | 排列纤维结构 |
| 同轴打印 | 同心喷嘴芯-壳结构 | 可灌注管状结构（血管通道） | 血管化组织构建 |
2. 喷射式生物打印（Jetting-based）
原理：按需喷射皮升级液滴，非接触式沉积
关键特性：
- 分辨率：~100 µm
- 液滴体积：pL-nL 级
- 稳定性窗口：Ohnesorge 数 0.1-1
- 构建厚度：<几毫米（低粘度液滴融合限制）
核心优势：高精度 patterning，精确控制细胞空间分布
主要局限：仅限低粘度墨水（Oh <1），无法打印厚 3D 结构，喷嘴易堵塞
新兴变体：
- 静电液动力喷射（EHDJ）：30-50µm 高分辨率
- 单细胞打印：>99.5% 单细胞喷射精度，~10µm 空间精度
3. 光聚合生物打印（Vat Photopolymerization）
原理：光交联生物树脂选择性固化
关键特性：
- 分辨率：~30 µm（最高）
- 系统组成：大分子单体 + 光引发剂 + 光吸收剂
- 构建深度：受光学散射限制
核心优势：最高空间精度，复杂精细结构，优异的结构保真度
三大硬伤（⚠️ 跟老师沟通重点）：
硬伤一：材料限制
"The bio-inks used in these systems generally comprise photo-active monomers, photo-initiators (PIs) such as Irgacure 2959 or LAP, and photo-absorbers (PAs)..."→ 必须使用光敏材料，天然胶原/明胶/海藻酸钠/dECM 等组织工程常用材料天然不具备光交联能力，必须化学改性（如甲基丙烯酰化），改性后理化性质和生物学特性都变了。
硬伤二：细胞毒性
"Excessive exposure or high photon flux can elevate free radical generation and localized heating, inducing oxidative stress, membrane disruption, or DNA damage""Cytotoxicity may also arise from unreacted PIs residues or reactive oxygen species (ROS) generated during crosslinking."
→ 光引发剂本身有细胞毒性，紫外光造成 DNA 损伤，活细胞存活率显著低于挤出式。
硬伤三：深度限制
"Optical scattering limits printing depth"→ 厚组织无法打印，只能做表面精细结构。
表 1. 三大生物打印技术的优劣势与应用场景对比
核心结论：
| 维度 | 挤出式 | 喷射式 | 光聚合式 |
|---|---|---|---|
| 分辨率 | >300µm | ~100µm | ~30µm（最高） |
| 材料范围 | ✅ 最广 | ❌ 仅低粘度 | ❌ 仅光敏 |
| 细胞存活率 | ✅ 温和（>90%） | ✅ 高 | ❌ 光毒性/ROS |
| 构建体积 | ✅ 临床尺寸 | ❌ <几毫米 | ❌ 深度受限 |
| 血管网络 | ✅ 同轴/支撑浴 | ❌ | ❌ |
| 多材料 | ✅ 多打印头 | ❌ | ❌ |
| 商用平台 | ✅ CELLINK 等 | ❌ | 少量 |
生物墨水设计
挤出式墨水要求
- 剪切变稀：挤出时粘度降低，沉积后快速恢复固态
- 二次交联：光交联、酶交联、离子交联、超分子交联
- 多组分水凝胶：IPN（互穿网络）兼顾结构完整性和细胞兼容性
喷射式墨水要求
- 低粘度：Ohnesorge 数 0.1-1 的稳定液滴形成窗口
- 细胞沉降控制：中性浮力调节、搅拌、墨盒表面改性
光聚合墨水要求
- 三组分系统：大分子单体 + 光引发剂 + 光吸收剂
- 可见光引发剂：LAP、Na-TPO 替代紫外 Irgacure 2959
- 折射率匹配：碘克沙醇等减少细胞散射
全身疾病建模
心血管疾病
图 2. 3D 生物打印策略用于心血管疾病建模与治疗
- 心肌组织：FLight 生物打印实现多向排列 hiPSC-CM 心肌组织
- 心脏心室：支撑浴挤出打印 6.6mm 心脏心室，展现同步收缩和钙瞬变
- 血管网络：90mm³ 器官尺度血管树网络，计算流体力学辅助设计
- 多材料共打印：Cellink 商用平台支持多打印头配置
内分泌/代谢
- 胰岛类器官：DLP 打印胰岛器官，植入后维持 90 天正常血糖
- 肝组织：打印功能性肝细胞类器官治疗肝衰竭
- 肾组织：肾 tubulointerstitium-on-chip 模型模拟纤维化
神经退行性疾病
图 3. 3D 生物打印策略用于神经退行性疾病建模
- 神经网络：挤出式打印功能性神经组织，突触连接和钙信号
- 阿尔茨海默：患者来源 iPSC 打印基底前脑胆碱能神经元，Aβ 和 tau 沉积
- 帕金森：多巴胺能神经-星形胶质细胞-巨噬细胞共培养模型
- 脑出血修复：3D 细胞负载支架促进血管再生和功能恢复
局部组织修复
皮肤修复
图 4. 3D 生物打印策略用于皮肤修复
- 血管化皮肤移植：KC + FB + EC + PC 四层结构，植入 2 周形成灌注微血管
- 原位生物打印：移动 XYZ 机械臂直接在伤口上打印，猪模型 5 周完全上皮化
- 三层皮肤：表皮（KC + 黑色素细胞）+ 真皮（FB + 毛囊乳头细胞 + 微血管 EC）+ 皮下（前脂肪细胞）
肌肉修复（VML）
图 5. 3D 生物打印策略用于容积性肌肉损伤（VML）修复
- 氧气生成：光合蓝细菌生物墨水维持代谢活性
- 排列控制：原位剪切流 + UV 固化诱导单向排列
- 多模态打印：EHD 打印 + 挤出打印，PCL 微纤维增强细胞负载水凝胶
- RoWS 旋转湿纺：连续纺丝 4.2 m/min，分米级排列束
软骨
- MEW + 喷墨：PCL 微纤维（7µm）+ 喷墨 MSC，压缩模量 2.6 MPa
- FLight 软骨：3.3 秒超快打印，8µm 纤维排列
- 双因子梯度：TGF-β3 + BMP-4 层控释放
骨
- 骨痂类器官：DLP 打印 GelMA 微球包封 BMSC，4 周快速骨再生
- 预血管化骨：GO 介导 MSC + HUVEC 共培养，BV/TV 达 32.28%
- 自体骨颗粒：3D 打印 Alg-Gel-AB 复合支架 + BMSC，比格犬颅骨缺损 9 个月成熟骨
未来方向
多模态生物打印
"Commercial platforms from Cellink, Allevi, Regemat, and RegenHU exemplify this approach by enabling independent multi-printhead configurations for simultaneous deposition of diverse materials."
- Cellink 商用平台已支持多打印头配置
- 集成静电纺丝 + 熔融电写引入亚微米纤维
- 两光子烧蚀 + 体积打印实现亚细胞分辨率灌注毛细血管
机器学习辅助
- 预测细胞存活率、打印分辨率、墨滴中细胞数量
- 闭环自优化打印系统
临床转化障碍
- 细胞来源：iPSC 分化效率、残留未分化细胞致瘤风险
- 血管化：厚组织代谢支持
- GMP 标准化：X-Pure GelMA 首个 GMP 级 GelMA 生物墨水
- 监管框架：ASTM F3659-24 生物墨水标准指南
与 CELLINK 产品的关联
为什么这篇综述对推广 CELLINK 极具说服力？
| 综述结论 | CELLINK 对应 |
|---|---|
| 挤出式最广泛采用 | CELLINK BIO X 系列是挤出式代表 |
| 材料兼容性最广 | BIO X6 支持多种生物墨水 |
| 多打印头配置 | BIO X6 多通道独立控制 |
| 临床应用全覆盖 | 心血管/神经/皮肤/肌肉/软骨/骨 |
| GMP 标准化趋势 | X-Pure GelMA GMP 级生物墨水 |
核心结论：这篇综述从技术路线、材料设计、疾病建模、组织修复到临床转化，完整论证了挤出式生物打印是组织工程和类器官的首选方案，而 CELLINK 是全球领先的挤出式商用平台。
联系人｜李东伟
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