上海2025年4月11日 /美通社/ -- 近日，大昌華嘉中國科技事業(yè)部半導體與電子及生命科學解決方案業(yè)務(wù)線總經(jīng)理 (Damien Teo) 分享了行業(yè)觀點，探討了3D生物打印如何推動生物醫(yī)療行業(yè)發(fā)展。
三維（3D）生物打印是一種增材制造技術(shù)，通過逐堆疊活細胞、生物分子和生物材料來構(gòu)建組織或器官等三維生物醫(yī)學結(jié)構(gòu)。
這項先進的3D打印技術(shù)采用由活細胞和生物材料組成的"生物墨水"（原料），用于制造類似組織的三維結(jié)構(gòu)，從而模擬出人體組織或器官的復雜性。3D生物打印廣泛應(yīng)用于再生醫(yī)學、生物組織工程以假體定制等方向的研發(fā)。
工作原理
3D生物打印過程涉及多個關(guān)鍵步驟，主要可分為3步，每一步都對構(gòu)建可存活且具備功能的生物結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。
1.研究人員或科學家首先從供體或干細胞中提取并培養(yǎng)細胞，然后將其與水凝膠或其他支持細胞生長與存活的生物材料結(jié)合，形成"生物墨水"。
2.然后在生物打印機的作用下，通常采用擠出或光固化等方法，按照數(shù)字模型逐層堆疊生物墨水。
3.結(jié)構(gòu)打印完成后，需要進行培養(yǎng)，以促進細胞生長并形成功能性組織。
3D生物打印的發(fā)展歷程
從二維（2D）到三維（3D）生物打印的演變，標志著技術(shù)的飛躍式發(fā)展，徹底改變了我們對組織和器官制造的認知，并推動其在科研和醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。
在3D生物打印出現(xiàn)之前，組織工程主要依賴二維細胞培養(yǎng)，即在培養(yǎng)皿或培養(yǎng)板等平面表面上培養(yǎng)細胞。這一方法對于研究細胞行為、藥物測試和基礎(chǔ)生物學研究至關(guān)重要，但也存在顯著局限性。
二維細胞培養(yǎng)的局限性主要體現(xiàn)在：
1.預測能力有限：在二維培養(yǎng)環(huán)境中，許多細胞會隨著時間推移失去其天然特性，導致基因表達和功能發(fā)生變化，無法準確模擬體內(nèi)環(huán)境。
2.單層生長模式：細胞以單層方式生長，無法再現(xiàn)真實組織的三維微環(huán)境，進而影響細胞行為、分化及相互作用。
3.細胞間及細胞-細胞外基質(zhì)（ECM）相互作用不足：真實組織依賴于細胞與其周圍ECM的復雜相互作用，而二維培養(yǎng)無法有效模擬這一過程，限制了其在組織特異性研究中的應(yīng)用價值。
4.對藥物作用的敏感性較高：二維細胞培養(yǎng)容易對藥物產(chǎn)生過度反應(yīng)，可能導致藥效和毒性測試結(jié)果失真，從而影響新藥研發(fā)、藥物測試及臨床轉(zhuǎn)化。
3D細胞培養(yǎng)的早期發(fā)展階段主要通過球狀體（Spheroid）的培養(yǎng)實現(xiàn)。球狀體是一種三維細胞培養(yǎng)模型，可模擬體內(nèi)組織和腫瘤的微環(huán)境。當細胞聚集并以三維結(jié)構(gòu)生長時，即可形成球狀體，使研究更貼近生理環(huán)境，相比傳統(tǒng)二維培養(yǎng)提供生物學相關(guān)性更好的實驗條件。
與二維細胞培養(yǎng)相比，球狀體（Spheroid）具有以下優(yōu)勢：
2010年代，生物打印技術(shù)取得了重大突破，使得三維組織和器官模型更加精細化和高分辨率。在這一時期，研究人員開發(fā)出能夠打印多細胞結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使其在組織組織性和功能特性上更接近真實生物組織。
3D生物打印的優(yōu)勢
3D生物打印相比傳統(tǒng)組織工程和醫(yī)療制造方法具有獨特優(yōu)勢，為醫(yī)學、藥物研究、組織再生和個性化醫(yī)療等領(lǐng)域帶來了革命性突破。以下是3D生物打印的關(guān)鍵優(yōu)勢：
1.更高的預測準確性：
3D生物打印能夠重現(xiàn)真實的組織結(jié)構(gòu)、自然的細胞相互作用及功能性血管網(wǎng)絡(luò)，從而提供更精準的藥物測試、更可靠的疾病模型，并推動個性化醫(yī)療的發(fā)展。
2.降低對動物模型的依賴：
通過構(gòu)建類人體組織和器官模型，3D生物打印減少了對動物實驗的依賴，為藥物測試、疾病研究和再生醫(yī)學提供了更具倫理性和準確性的替代方案。
3.加速研究進程：
3D生物打印能夠提供高度可控、可重復且符合人體生理特征的實驗?zāi)Ｐ停涌焖幬餃y試、疾病研究和組織工程進程。相比傳統(tǒng)方法，它減少了動物試驗和手動細胞培養(yǎng)等耗時步驟，使研究結(jié)論更快速、更可靠。
4.長期成本節(jié)約：
3D生物打印降低了對動物模型的依賴，加快了研發(fā)周期，并減少了材料浪費和人工成本，從而實現(xiàn)長期成本節(jié)約。這些優(yōu)勢不僅加快了產(chǎn)品上市速度，還提高了藥物測試的準確性和效率，同時推動個性化治療的發(fā)展，為長期投資回報提供了保障。
3D生物打印是一項變革性的技術(shù)，在生物醫(yī)學研究、藥物開發(fā)和個性化醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大潛力。憑借其精準、可重復且具備生理功能的組織模型構(gòu)建能力，3D生物打印有望減少對動物實驗的依賴、加速科研進程，并在長期內(nèi)降低成本，為醫(yī)療和生命科學領(lǐng)域帶來深遠影響。
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