生物3D打印类器官：生物医学创新引擎
Li et al. | Advanced Science 2025 | DOI: 10.1002/advs.202507317
一、做什么（研究背景与目的）
本文是一篇关于生物3D打印类器官（Bioprinted Organoids）的系统综述。类器官（Organoids）是从干细胞自组织形成的迷你器官，能部分模拟真实器官的结构与功能；但传统类器官存在结构异质性强、尺寸难以控制、缺乏血管化等瓶颈。生物3D打印（Bioprinting）则可通过生物墨水（Bioink）精确堆叠细胞，实现对类器官形态、尺寸和空间排布的精准调控。两者的融合——生物3D打印类器官——旨在结合自组织能力与工程化精度，构建更接近真实组织形态和生理功能的个性化模型。
本文系统梳理了生物3D打印类器官相比传统类器官的独特优势，按细胞来源将其分为三类（iPSC来源、ASC来源、癌细胞来源），并综述了各类型的代表性应用及当前挑战。
图1：生物3D打印与传统类器官技术的融合策略概览，展示了如何将结构控制与自组织能力相结合，构建更精准的类器官模型。
二、发现什么（核心结果）
2.1 类器官发展里程碑
自1910年 Wilson 发现海绵细胞自组织现象起，类器官技术经历了漫长发展。2006年，Yamanaka 诱导多能干细胞（iPSC）技术解决了细胞来源问题；2009年，Hans Clevers 首次用Lgr5+干细胞培养出肠道类器官；2013年，Science 将类器官评为年度十大科学突破；2024年，Su-Chun Zhang 团队实现了大脑类器官的3D生物打印，构建出多层神经网络结构，逼近真实人脑的复杂度。
图2：类器官领域自1900年代至今的重大突破时间轴，从细胞自组织发现到2024年生物打印神经网络类器官，展示了技术演进脉络。
2.2 生物3D打印类器官的四大核心优势
相比传统模型（2D细胞培养、动物模型、器官芯片），生物3D打印类器官具有：
| 维度 | 生物3D打印类器官 | 传统类器官 |
|---|---|---|
| 结构保真度 | ✔ 复杂3D结构高精度 | 简单结构，异质性强 |
| 形态可塑性 | ✔ 可个性化设计形态尺寸 | 无3D形态调控能力 |
| 生理相似性 | ✔ 更接近真实人体组织 | 模拟特定微环境 |
| 细胞多样性 | ✔ 支持多细胞类型混合打印 | 细胞类型有限 |
表1：生物3D打印类器官与其他模型的核心指标对比。
2.3 三类生物3D打印类器官
按细胞来源分为三类：
第一类：iPSC来源类器官
- 利用患者体细胞重编程为iPSC，再分化为特定谱系细胞进行打印
- 优势：个体化定制，可模拟遗传性疾病
- 代表应用：肝脏、肾脏、心脏、神经类器官
第二类：ASC（成体干细胞）来源类器官
- 直接从特定组织分离成体干细胞（如Lgr5+肠道干细胞）
- 优势：遗传背景稳定，适合长期培养
- 代表应用：肠道、乳腺、肝脏类器官
第三类：癌细胞来源类器官
- 从患者肿瘤组织提取癌细胞构建类器官（肿瘤类器官/PDTO）
- 优势：保留肿瘤异质性，用于个性化药筛
- 代表应用：肝癌、肺癌、胰腺癌、乳腺癌类器官
图4：基于细胞来源的三分类体系：iPSC来源、ASC来源、癌细胞来源，及其各自代表性应用场景。
2.4 四种生物打印技术路线
| 技术路线 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 挤出式打印（Extrusion-based） | 材料兼容性好、成本低、支持高细胞密度 | 分辨率低、细胞损伤风险 |
| ** Inkjet打印** | 速度快、分辨率高、细胞存活率高 | 黏度限制大、易堵针头 |
| 激光辅助打印（Laser-assisted） | 无喷嘴接触、单细胞精度、高黏度兼容 | 设备成本高 |
| 数字光处理（DLP）/立体光刻 | 超高分辨率、无剪切力、表面光洁 | 光毒性、材料选择有限 |
2.5 血管化：最大挑战与最新进展
血管化不足是限制类器官尺寸和功能成熟的核心瓶颈。生物3D打印可通过多材料同时打印策略（内皮细胞+类器官共打印、生物墨水负载血管生长因子）部分解决此问题。已报道的策略包括：微流控芯片引导血管生长、3D打印内皮化通道、共培养系统诱导血管网络自组装等。
图5：生物3D打印类器官的血管化策略，包括多材料共打印、微流控引导和生长因子控释等技术路径。
2.6 生物墨水设计原则
生物墨水是生物3D打印的核心，包含细胞+生物材料+生长因子三组分。常用材料包括：
- GelMA（明胶甲基丙烯酰化水凝胶）：温敏可打印、光交联固化、细胞黏附性好，是目前最主流的生物墨水基础材料
- 海藻酸盐（Alginate）：快速凝胶化，但缺乏细胞黏附位点
- ** collagen**：天然细胞外基质，但机械强度低
- Bioink商品化现状：CELLINK 系列（Bioik, GelMA, Laponite等）已实现标准化供应，支持主流挤出式和DLP打印机
图6：生物墨水的组成设计原则，包括基质材料选择、细胞负载量优化和生长因子控释策略。
三、说明什么（研究意义）
3.1 对类产品市场的启示
本文综述的是**Advanced Science（Wiley，IF>15）**级别的综述，由郑州大学、深圳先进院等多个机构联合发表，代表了当前国际生物打印类器官领域的最高研究水平。
核心结论：
- 生物3D打印类器官代表了类器官技术走向标准化、工程化、临床化的必然路径
- GelMA基生物墨水是目前商业化最成熟的方案，与我们代理的CELLINK打印机直接对应
- 肿瘤类器官药筛是最快实现临床转化的方向，市场需求明确
- 血管化与多材料打印是未来5年的技术主战场，相关产品（CELLINK多材料打印套件、高通量生物打印系统）需求将持续增长
3.2 与我们的产品关联
| 相关产品 | 关联度 | 具体应用场景 |
|---|---|---|
| CELLINK BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 生物打印类器官核心平台，支持挤出式和光固化 |
| CELLINK GelMA 生物墨水系列 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 类器官打印首选材料，与本文方案高度吻合 |
| CELLINK Laponite 生物墨水 | ⭐⭐⭐⭐ | 血管化类器官打印，用于内皮通道构建 |
| 3Brain HD-MEA | ⭐⭐⭐ | 生物打印神经网络类器官的电生理功能验证 |
| Celvivo 3D培养系统 | ⭐⭐⭐ | 类器官打印后培养、成熟、药物响应评估 |
3.3 局限性
- 血管化仍是未解决的系统性难题，限制了类器官的尺寸突破
- 生物打印分辨率与细胞存活率之间的矛盾尚未完全调和
- 标准化生物墨水配方和打印参数仍是行业痛点，制约临床转化
原文下载
📄 Advanced Science - 2025 - Li - Bioprinted Organoids.pdf
参考文献
- Li Z, Li K, Zhang C, et al. Bioprinted Organoids: An Innovative Engine in Biomedicine. Advanced Science. 2025. DOI: 10.1002/advs.202507317.
- Lancaster MA, Knoblich JA. Organoids in a dish. Science. 2014.
- Clevers H. Modeling Development and Disease with Organoids. Cell. 2016.
- Zhang YS, et al. Bioprinting of Organoids. Nature Reviews Methods Primers. 2024.
李东伟
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