生物打印类器官：生物医学的创新引擎
Advanced Science 发表的系统综述，全面梳理生物打印技术与类器官研究融合的进展，从技术原理到应用场景再到未来展望。
生物打印与传统类器官技术的混合策略：结合结构控制与自组织能力
一、背景与意义
1.1 什么是生物打印类器官
生物打印类器官将 3D 生物打印技术与类器官研究相结合，能够在体外同时重建人体组织的形态和生理功能。这种方法在类器官制造方面具有独特优势，特别是在结构精度、组织模拟和功能保真度方面。
通过利用两种技术的互补优势，生物打印类器官可以制造个性化的、结构工程化的模型，更准确地复制器官发生、生理过程和疾病进展。
1.2 与传统模型的对比
| 方面 | 生物打印类器官 | 2D 细胞培养 | 传统类器官 | 动物模型 | 器官芯片 |
|---|---|---|---|---|---|
| 结构仿生 | 高：复杂 3D 结构 | 低：单层细胞 | 中：简单结构 | 低：固定结构 | 中：部分器官结构 |
| 形态可塑性 | 高：个性化设计 | 低 | 低 | 低 | 中 |
| 生理相似性 | 高：接近真实人体 | 低 | 中 | 高 | 中 |
| 细胞多样性 | 高：多种细胞类型 | 低 | 中 | 高 | 低 |
| 疾病建模 | 有效 | 困难 | 可模拟 | 准确 | 模拟相互作用 |
| 药物筛选 | 高 | 中-高 | 中 | 低 | 中 |
| 毒理学 | 高：少种属差异 | 低 | 低 | 中 | 高 |
| 伦理问题 | 低 | 低 | 低 | 严格监管 | 低 |
类器官领域的里程碑突破（1900s 至今）与生物打印人类类器官的未来潜力
二、生物打印技术
2.1 主要打印技术
| 技术 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|
| 挤出式生物打印 | 高材料兼容性、低成本、多材料支持、高细胞密度 | 分辨率低、细胞损伤、结构变形 |
| 喷墨式生物打印 | 高速、高分辨率、高细胞活力、多喷嘴能力 | 低粘度限制、喷嘴堵塞风险、需后处理 |
| 激光辅助生物打印 | 无喷嘴操作、单细胞精度、高粘度兼容性 | 设备成本高、依赖材料 |
| 数字光处理（DLP） | 超高分辨率、无剪切应力、表面光滑 | 光毒性、材料选择有限、高成本 |
| 悬浮支撑打印 | 软水凝胶兼容性、防坍塌架构 | 支撑移除风险、商业化有限 |
2.2 生物墨水
生物墨水是生物打印的核心材料，需要满足：
- 生物相容性：支持细胞存活和增殖
- 可打印性：合适的粘度和流变特性
- 机械性能：打印后保持结构稳定性
- 生物活性：支持细胞分化和组织形成
常用生物墨水类型：
- 天然聚合物：明胶、胶原、透明质酸、藻酸盐、纤维蛋白
- 合成聚合物：PEG、PCL、PLGA
- 复合材料：天然 + 合成聚合物混合
三、生物打印类器官的类型
生物打印类器官的分类：基于细胞来源的三种类型
3.1 基于 iPSC 的生物打印类器官
- 从患者体细胞重编程获得 iPSC
- 分化为目标器官细胞类型
- 优势：患者特异性、避免伦理问题、可大规模扩增
3.2 基于成体干细胞的生物打印类器官
- 从成体组织分离干细胞
- 保留组织特异性分化潜能
- 优势：更接近成熟组织状态
3.3 混合来源的生物打印类器官
- 结合多种细胞来源
- 构建多细胞类型复杂结构
- 模拟更真实的组织微环境
四、应用领域
4.1 组织工程与再生医学
生物打印类器官在组织工程中的应用
- 皮肤：打印皮肤类器官用于烧伤治疗和皮肤再生
- 骨骼：骨类器官用于骨折修复和骨缺损治疗
- 软骨：软骨类器官用于关节修复
4.2 疾病建模
生物打印类器官在疾病建模中的应用
- 癌症：肿瘤类器官用于研究肿瘤微环境和转移机制
- 神经退行性疾病：脑类器官模拟阿尔茨海默病、帕金森病
- 心血管疾病：心脏类器官研究心肌损伤和修复
4.3 药物筛选与毒理学
生物打印类器官在药物筛选中的应用
- 高通量药物筛选：大规模测试药物效果和毒性
- 个性化药物测试：患者特异性类器官指导精准用药
- 药物代谢研究：肝类器官评估药物代谢和毒性
4.4 器官移植
生物打印类器官在器官移植中的潜力
- 打印功能性组织用于移植
- 解决器官短缺问题
- 降低免疫排斥风险
五、关键挑战
5.1 技术挑战
生物打印类器官面临的关键挑战
- 血管化：大尺寸类器官内部缺氧坏死，需要整合血管网络
- 神经支配：缺乏神经连接，限制功能完整性
- 免疫组分：缺少免疫细胞，无法模拟免疫反应
- 成熟度：打印类器官的成熟度通常低于天然组织
5.2 标准化挑战
- 缺乏统一的打印参数标准
- 不同实验室结果难以比较
- 质量控制体系不完善
5.3 监管挑战
- 生物打印类器官的监管框架尚不完善
- 临床应用审批路径不清晰
- 伦理审查标准需统一
六、未来展望
生物打印类器官的未来发展方向
- 多器官芯片集成：构建多器官互联系统，模拟全身生理
- AI 辅助设计：利用机器学习优化打印参数和结构设计
- 活体打印：直接在患者体内进行生物打印
- 4D 生物打印：打印后可随时间变化的智能结构
- 太空生物打印：在微重力环境下打印更复杂的组织结构
七、与我们的关联
作为生命科学仪器和耗材供应商，生物打印类器官技术的发展带来以下机会：
- 生物打印机：挤出式、喷墨式、激光辅助打印设备
- 生物墨水：天然聚合物、合成聚合物、复合生物墨水
- 培养设备：生物反应器、培养箱、成像系统
- 分析试剂：细胞标志物抗体、检测试剂盒
- 3D 培养耗材：微载体、支架材料、培养板
原文下载
📄 bioprinted-organoids-advanced-science-2025.pdf
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Bioprinted Organoids: An Innovative Engine in Biomedicine |
| 期刊 | Advanced Science |
| 卷期 | 2025 |
| DOI | 待补充 |
| 发表日期 | 2025 |
| 作者 | Zhengwei Li, Kai Li, Cheng Zhang, Yingying Zhao, Yiyuan Guo, Jia He, Shiyuan Chang, Xinyi Fang, Kaizheng Liu, Pingping Zhu, Zhenzhen Chen, Changshun Ruan |
| 机构 | 郑州大学生命科学学院、食管癌代谢异常防治国家重点实验室 |
联系人｜李东伟
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