來自全球大學(xué)、科研機構(gòu)和醫(yī)院的研究人員和科學(xué)家聚集在一起，為3D生物打印領(lǐng)域制定了發(fā)展路線圖，并在《生物制造》雜志上發(fā)表了論文。這篇論文詳細介紹了生物打印的現(xiàn)狀、該技術(shù)在特定應(yīng)用中的最新進展以及當(dāng)前的發(fā)展和挑戰(zhàn)。它還預(yù)想了該技術(shù)在未來如何改進，并詳細介紹了特定路線圖的研究方向。
每個論文作者都從事著生物印刷領(lǐng)域不同主題的工作，以專注于研究。這些主題涉及從細胞擴增和新型生物墨水開發(fā)到細胞/干細胞印刷，從基于類器官的組織到人體規(guī)模組織結(jié)構(gòu)的生物印刷，以及從構(gòu)建細胞/組織/單體器官到生物制造、多細胞工程化的活體等方面。
作者在解釋生物3D打印路線圖的必要性時，在論文摘要中解釋說：“生物印刷技術(shù)方法論正在迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，但該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向尚不明確。此生物印刷路線圖通過提供全面的摘要和建議，來解決這一迫切的需求，這些摘要和建議對有經(jīng)驗的研究人員和該領(lǐng)域的新手都有指導(dǎo)作用。”
在論文的引言中，費城德雷塞爾大學(xué)和中國清華大學(xué)工程學(xué)院的客座教授孫偉解釋了一般生物打印必須克服的挑戰(zhàn)。這些工作圍繞著新一代生物墨水的創(chuàng)建而展開，這些生物墨水能夠更好地為細胞起到輸送、保護和促進生長作用。改進生物印刷工藝、有效交聯(lián)、與微流體設(shè)備集成，為培養(yǎng)生物3D打印模型提供了長期的模擬生理環(huán)境。
論文的第一部分“從細胞擴增到細胞3D打印”，討論了細胞擴增在生物打印過程中的重要性。報告指出，需要改進基于生物反應(yīng)器的細胞擴增系統(tǒng)，以提高生物醫(yī)學(xué)在再生醫(yī)學(xué)和人工組織領(lǐng)域的采用率?；谏锓磻?yīng)器的系統(tǒng)，相比利用平板培養(yǎng)方式的傳統(tǒng)方法能夠更快地擴增細胞。
接下來，作者還研究了對生物打印過程至關(guān)重要的生物墨水。盡管在用于生物印刷的生物墨水工程學(xué)方面取得了重大進展，但該論文指出，仍然需要大量的工作以提升細胞在微環(huán)境中的封裝程度，從而改善天然組織、器官的復(fù)制及其復(fù)雜性。
論文涉及的另一個主題是干細胞的生物打印。研究人員稱，由于其作為細胞源的強大可再生性，以及在人體內(nèi)分化和成熟為多種細胞類型的潛力，這一領(lǐng)域保持了“對生物醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用的巨大希望”。但是，在實發(fā)掘干細胞生物打印的全部潛力之前，仍有許多障礙和挑戰(zhàn)需要克服。這些障礙概括為三個方面：物理印刷效應(yīng)對干細胞生物印刷的影響；生物墨水的特性；以及3D培養(yǎng)的干細胞的生物學(xué)挑戰(zhàn)。最近，多倫多大學(xué)（UoT）和森尼布魯克健康科學(xué)中心的研究人員開發(fā)了一種能夠可以治愈燒傷創(chuàng)面的干細胞生物3D打印紙。
論文繼續(xù)討論“大規(guī)模有效地生產(chǎn)類器官或細胞聚集體”。類器官是有用的，因為它們有效地模仿了體內(nèi)組織或器官的生理微觀結(jié)構(gòu)。大規(guī)模生產(chǎn)類器官的一個重大障礙是生產(chǎn)成本高和生產(chǎn)困難。
研究人員還探索了3D打印的生物雜交組織，作為研究疾病的體外生物學(xué)模型。3D生物打印通過使組織具有精確的細胞空間排列，從而具有創(chuàng)造更好的疾病模型的潛力。體內(nèi)組織的許多功能不可或缺，但用于評估藥物反應(yīng)時，卻無法在生物打印中成功復(fù)制。這包括多層屏障功能以控制外用藥物的透皮遞送；而研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過創(chuàng)建3D打印的生物雜交組織來復(fù)制這種功能，從而更好地進行藥物試驗。
除了進一步探索組織合成、單片器官發(fā)育和多細胞工程化的生活系統(tǒng)外，該論文還研究了外層空間的生物打印。多虧了微重力，在太空進行生物打印的一個優(yōu)勢是創(chuàng)造了具有更多流體形狀、生物相容性的生物膜3D打印結(jié)構(gòu)。此外，微重力條件允許對更復(fù)雜幾何形狀（如空隙、空腔和孔道）的組織和器官構(gòu)造進行3D生物打印。
美國、歐盟、俄羅斯和中國的數(shù)個研究小組和公司已經(jīng)在探索這種努力，他們正在積極準(zhǔn)備在太空進行生物打印所需的研究設(shè)施和設(shè)備。例如，3D生物制造設(shè)施已經(jīng)在國際空間站（ISS）上開始試驗。包含用于生物制造設(shè)施的3D打印耗材的有效載荷，已經(jīng)運送到國際空間站用于保存人體細胞、生物墨水和新的3D打印陶瓷流體歧管的樣品，以代替以前使用的打印聚合物材料。3D生物打印解決方案俄羅斯生物技術(shù)研究實驗室也將其磁性3D生物打印機Organ.Aut安裝在國際空間站上。該公司最近能夠在零重力下對骨骼組織進行生物3D打印。
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