体内生物打印：拓宽组织损伤治疗边界

Zhao et al. | Bioactive Materials 2023 | DOI: 10.1016/j.bioactmat.2023.02.002

标签: #综述 #体内生物打印 #组织修复 #生物墨水 #手持打印 #机器人 #CELLINK

一、本文综述了什么

本文系统综述了体内生物打印（In vivo bioprinting / In situ bioprinting）这一新兴领域，覆盖了272 篇文献，从打印技术、生物墨水、打印设备到临床整合流程，构建了完整的知识框架。

核心论点：传统的"体外打印→体内移植"模式面临三大瓶颈——(1) 打印组织在体外成熟需要数周，可能错过最佳治疗窗口；(2) 移植过程中水凝胶支架容易受损；(3) 体外培养难以模拟体内微环境。体内生物打印直接在患者体内缺损处打印组织，利用宿主天然微环境作为"生物反应器"，实现快速原位填充修复。

文章覆盖六大板块：三大打印模态对比、生物墨水要求、四类打印设备（手持/机械臂/MIS集成/商业系统）、3D感知与AI控制、临床整合三阶段（术前/术中/术后）、未来挑战。

图1：体内生物打印技术系统架构（上半部）与临床应用场景（下半部）。a 展示了四大子系统：生物墨水（Bioinks）、打印设备（Bioprinting Devices）、控制系统（AI-assisted实时控制）、3D感知（高速高精度体内视觉）；b 列举了9种可应用场景（颅内动脉瘤、心肌梗死、全层皮肤伤口、骨软骨缺损等）及各自现有疗法的局限性。

二、综合比较的核心结论

主题 A：三大打印模态的体内适应性

共识：挤出式（Extrusion）、光固化（SLA/DLP）和液滴式（Droplet-based）是三大主流体内打印模态，各有优劣。

激光辅助打印（LAB）作为液滴式的变体，在皮肤和骨组织修复中展示了独特优势——可实现无喷嘴接触打印，细胞存活率>95%。

图2：a 对比三种交联策略（预交联/后交联/原位交联），原位交联在挤出瞬间固化，保真度最高；b 核壳结构生物墨水设计（外壳提供支撑，内核含干细胞）+ 猪模型手持打印操作照片；c GelMA+VEGF 手持打印14天伤口愈合对比，GelMA+VEGF组再上皮化率最高、疤痕指数最低；d 高级手持皮肤打印机设计，利用库埃特流实现墨水与交联剂的均匀混合沉积。

主题 B：生物墨水的双重需求矛盾

共识：体内生物墨水必须同时满足"打印性能"和"生物相容性"，这两者往往矛盾——高黏度有利于打印但不利于细胞存活，低黏度有利于细胞但打印后结构坍塌。

核心解法：双重交联策略——先通过快速物理交联（温度/pH/离子）维持打印形状，再通过慢速化学交联（光/酶）提供长期力学稳定性。GelMA、HAMA、PEGDA 是最常用的光敏水凝胶体系。

争议：体内交联剂（如 CaCl₂、光引发剂 LAP）对宿主组织的毒性——CaCl₂ 在骨打印中效果明确但可能引起局部钙化；LAP 光毒性低于传统 Irgacure 2959 但在深层组织中的安全性数据仍不足。

图3：a 热泡式与压电式喷墨打印原理 + 激光辅助打印在皮肤伤口的应用；b 多喷头打印头与细胞存活率分析；c 激光辅助 nHA-胶原蛋白支架骨缺损修复，Micro-CT 显示含细胞盘状组2个月骨体积显著高于其他组；d 原位混合打印系统（3D扫描→液滴基+挤出基双模打印→全层皮肤+颅骨多层结构），Day 0→14→28愈合序列与6周颅骨 Micro-CT。

主题 C：从实验室到手术室的设备演进

共识：体内打印设备经历了三代演进——手持设备（第一代）→ 机械臂多轴平台（第二代）→ MIS微创手术集成系统（第三代）。

手持设备适合体表伤口（皮肤、角膜），但依赖操作者技巧，打印精度有限。机械臂平台可预设打印路径，适合规则缺损（骨、软骨），但体积大、不适合术中灵活调整。MIS集成系统通过内窥镜通道在体内深部打印，是最有临床前景的方向，但技术复杂度最高。

空白：目前报道的体内打印机绝大多数是实验室自制原型，商业化系统极少。Fab@Home Model3 和 Regenovo Bio-Architect 是仅有的两个被报道集成体内打印功能的商业平台。

图4：体内生物打印对生物墨水的五大核心要求——生物相容性（细胞存活率>80%）、打印性（挤出流畅、快速成型）、力学性能（匹配原生组织模量）、组织黏附性（湿润组织表面黏附）、可降解性（与新组织生长速率匹配）。

主题 D：3D感知与AI实时控制

体内打印与体外打印的最大区别在于目标组织是动态的（呼吸、心跳、血流），必须集成实时3D感知和运动补偿。

当前主要感知方案：

Delta 并联机器人 + 标记点跟踪可实现移动目标打印，跟踪误差<1.5mm（目标速度<42 mm/s）。但在复杂曲面（如心脏跳动表面）上的实时打印仍是未解难题。

图5：基于框架的多轴生物打印平台——自动按预设路径沉积生物墨水，适配挤出式、液滴式等多种打印单元，是目前体内打印研究中最常用的设备类型。

主题 E：临床整合三阶段与商业化现状

术前：3D扫描/CT/MRI获取缺损几何→重建3D模型→生成打印路径→准备生物墨水。
术中：打印设备就位→3D感知对准→实时打印+运动补偿→原位交联固化。
术后：监测组织整合→支架降解与新组织替代→长期功能评估。

空白：所有体内打印研究均停留在动物实验阶段（小鼠皮肤、大鼠骨缺损、兔软骨），尚无人体临床试验报道。监管审批路径、GMP级生物墨水制备、无菌操作保障是临床转化的三大障碍。

图6：商业生物打印机与体内打印功能的集成——目前多数商业系统仍为体外打印设计，仅有少数被研究者改造用于体内打印场景。

三、对领域/产品的意义

空白 = 产品机会：

1. 手持打印设备市场空白：目前手持打印几乎全是实验室原型，尚无商业化手持体内打印机。CELLINK 的 BIO X 系列若开发手持模块，可率先占领这一蓝海。
2. 体内专用生物墨水：当前 GelMA 体系需要用户自行配光引发剂，操作复杂。开发"即开即用"型体内专用生物墨水（预混光引发剂、室温稳定、紫外触发固化）是明确的产品方向。
3. 3D感知模块集成：体外打印机通常不带3D感知。若 CELLINK 在 BIO X6 集成结构光/双目视觉模块，可实现"扫描→打印"一体化，形成差异化优势。

共识 = 宣传素材：

1. "体内打印是下一代方向"——272篇文献确认，体内打印代表了生物打印从"体外培养→移植"向"直接体内修复"的范式转变。
2. "挤出式最成熟"——体内打印中挤出式应用最广、文献最多，与 CELLINK 核心技术路线一致。
3. "GelMA 是体内打印首选水凝胶"——本文汇总实验中 GelMA 出现频率最高（全文51次），与 CELLINK GelMA 产品线直接对应。

争议 = 差异化切入点：

1. "光毒性 vs 打印精度"——SLA 打印精度高但光毒性是争议焦点。CELLINK 可通过开发低毒性光引发剂配方来解决这一争议。
2. "标准化 vs 定制化"——体内打印需要针对每个患者定制打印路径。CELLINK 的软件系统若集成 AI 路径规划功能，可解决这一痛点。

与我们的产品

原文下载

📄 Zhao_2023_BioactiveMaterials_InVivoBioprinting.pdf

参考文献

1. Zhao W, Hu C, Xu T. In vivo bioprinting: Broadening the therapeutic horizon for tissue injuries. Bioactive Materials. 2023;25:201-222. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2023.02.002
2. Skardal A, et al. Bioprinted amniotic fluid-derived stem cells accelerate healing of large skin wounds. Stem Cells Transl Med. 2012;1(11):792-802. DOI: 10.5966/sctm.2012-0088
3. Christensen K, et al. Freeform inkjet printing of cellular structures with bifurcations. Biotechnol Bioeng. 2015;112(5):1047-1052. DOI: 10.1002/bit.25501

转发语：传统3D生物打印是"体外打印→移植"，但移植过程水凝胶支架容易碎裂、体外培养错过最佳治疗窗口。这篇272篇文献的系统综述指出：直接在患者体内打印组织（in vivo bioprinting）才是下一代方向——手持打印机、机器人、AI实时控制，从皮肤到骨到心脏，全场景覆盖。CELLINK 的挤出式技术+GelMA水凝胶恰好是体内打印最成熟的技术路线。

联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top