近十年来，3D生物打印变得越来越火热，已从专门用于学术研究的3D生物打印系统扩展到一个商业化领域。目前，生物打印系统的硬件能力不断提高、商业化、材料标准化趋势明显。可以说，生物打印行业的各个方面都蓬勃发展，持续创新，在市场中开拓出一番天地。3D生物打印市场背景
年，乌得勒支大学JosMalda教授举办了首批生物打印夏季课程，乌得勒支的研究人员与其他主要中心（波士顿哈佛大学威斯研究所、韩国浦项科技大学等）一起，一直处于生物打印创新的前沿。年2月，该小组首次展示了使用体积生物打印技术制造了功能性肝组织的模型，这表明3D打印复杂器官和再生组织的可行性。TrestleBiotherapeutics是根据哈佛大学维斯研究所JenniferLewis教授过去十年进行的研究，将肾脏（肾脏）组织移植物商业化。3DSystems是传统增材制造行业的领导者之一，它也通过生物打印硬件（通过收购Allevi）、生物墨水（与collPlant合作）和应用（主要是肺组织，与UnitedTherapeutics合作）进入市场。△肝组织肝脏和肾脏组织是研究人员利用生物打印实现的较复杂的组织，可以用于再生医学的组织移植和药物开发测试(DDT)。然而，开发生物打印组织的道路是艰难的，已经有人员伤亡。南极熊获悉，Organovo提出了基于肾脏和肝脏组织生物打印的商业生物打印理念，但未能将其产品推向市场，并在放弃生物打印领域之前烧掉了数百万美元。生物打印有望彻底改变我们处理医学和组织工程的方式。它有可能解决全球器官捐献者短缺问题并改变医疗行业，为众多疾病和伤害提供解决方案。南极熊将介绍不同类型的生物打印机和生物墨水，并介绍各种生物打印应用。生物打印是什么？3D生物打印（或简称为生物打印）是指使用机器（3D生物打印机）逐层生产模型的一系列增材制造和数字制造方法。与传统3D打印一样，生物打印基于CAD软件中设计的3D模型创建对象。生物打印对象（或结构）通常是人类或动物的组织模型，通过细胞与其他生物材料和生物相容性材料（如聚合物和陶瓷）的组合而创建。年，RobertJ.Klebe使用喷墨打印机打印细胞时，生物打印被“正式”引入。从那时起，该领域不断发展，并引入了新的方法和技术。最初生物打印是在学术层面的，现在部分产品已经进入了商业化。在过去的二十年里，研究人员一直专注于研究如何适应活细胞对生物材料打印过程中出现的压力（摩擦、压力、流体粘度等）的敏感性。生物打印过程，如工业AM过程，可分为两大类：基于工具或间接（基于支架的打印）和直接（无支架的打印）。这两者又进一步分为两类：激光辅助生物打印和无激光生物打印。生物打印结构本质上是多种材料，这与用于工业制造的3D打印形成了明显的对比。多种细胞类型、不同的支架和支架材料、血管分布（为低于构建体表面的细胞提供氧气）和大量细胞外基质材料都可以成为功能性生物打印结构的一部分。随着细胞的发育和适应，生物打印还需要考虑时间因素，这也是为什么有些人将生物打印称为4D打印的一种。生物打印的应用
一些工业增材制造已经从研究和原型发展到商业的最终用途应用。3D生物打印有望遵循类似的发展轨迹，但目前生物打印中具有商业潜力的硬件都集中在研究应用上。虽然这项研究仅限于学术机构，但一些企业也进行研发工作，比如很多制药公司。生物打印的最终目标是打印功能器官，但通过生物打印制造复杂的器官十分困难，需要远远超出现有的技术和材料能力。生物打印应用目前集中在药物开发测试，并和食品相关产品（细胞农业）。在再生医学方面，也有生物打印的身影，包括组织移植物、一些基于非细胞生物相容性和生物可吸收的聚合物、陶瓷的植入物等。多材料性仍然是所有工业3D打印方法的主要限制之一，是组织和器官打印的更大障碍，因为身体最复杂的器官由许多不同的细胞类型组成。需要更多体积方法（同时从所有侧面“全息”打印）。同时，生产速度是当前技术最明显的局限性之一。肾脏和肝脏组织的生产目前仅限于研究应用，其中3D打印组织比2D打印组织具有更多的优势，但真正的功能器官还有很长的路要走。心脏再生（例如3D打印的可吸收心脏瓣膜）和最近的肺再生取得了一些进展。再生医学应用生物打印的关键驱动因素之一是对移植器官的巨大需求。生物打印研究
体内几乎所有细胞都生活在细胞外基质(ECM)中，并通过生化和机械信号相互交流。细胞之间以及细胞与ECM之间的相互作用形成了一个通信网络，可以保持组织的特异性和稳态。在2D细胞培养试验中，细胞无法获得体外结构组织和连通性可能会限制或损害细胞形态、活力、增殖、分化、基因表达、刺激反应、药物代谢和整体细胞功能等。由于这些限制，临床前基于细胞的药物和*性筛选试验的预测能力较弱。有证据表明，与2D培养相比，3D细胞培养可以更好地模仿具有生理相关性的天然组织的特异性。这在干细胞分化和培养、癌症生物学、药物和*性筛选以及组织工程中，3D生物打印尤为明显。在不使用基于基质的基质的情况下，悬浮细胞聚集体的培养已用于一些更基本的3D模型中。为了准确预测组织发育和形态发生，体外3D模型必须模仿体外细胞行为的元素。已经使用多种材料和构造技术开发了具有可变物理和生物特征的支架，满足各种细胞类型的需要。对于3D细胞生长的体外应用，基于ECM的水凝胶（胶原蛋白、弹性蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白）是最常用的材料。生物打印公司
由于生物打印在药物发现（药物*性测试）、个性化医疗、组织移植等领域具有极高的商业价值，3D生物打印已从纯粹的实验和研究部门转向商业市场，并在过去五年中显着加速（因为3D打印技术总体上变得更加广泛可用）。通过统计数据可知，目前至少有家企业在全球生物打印市场开展业务（不包括生物打印产品经销商）。在这些公司中，38%是生物打印机制造商，30%是生物材料供应商，44%是生物打印实验室或服务提供商。请注意，公司可以属于多个类别，并且这些数字还会继续增加。△QuantumXBIO是一台基于双光子聚合(2PP)的系统。它由CELLINK和Nanoscribe共同开发，是同类产品中的第一台3D生物打印机，可实现亚微米打印分辨率，并提高了3D生物打印的高精度标准。在生物打印机硬件领域，名为BICO（前身为Cellink）的公司一直在推动行业方面发挥着重要作用。该公司从生产和分销生物墨水开始，然后建立了一系列低成本挤压生物打印机。在推出其第一个商业产品后，Cellink以惊人的速度发展，在世界各地的大学中创建了一个由生物打印爱好者、研究人员和专业人士组成的社区。短短几年，公司在瑞典纳斯达克上市，并在美国市场开设分公司。自年以来，许多公司加入了BICO大家庭，拥有AdvancedBiomatrix（生物材料）和Nanoscribe（2PP纳米3D打印硬件）。该公司现在为研究人员和临床医生提供技术、产品和服务，帮助他们生成、理解和掌握生物3D打印。像Cellink一样，许多公司都基于生物打印硬件开发了重要业务。系统制造商包括RegenHU，这是一家瑞士公司，最早推出高端生物打印硬件系统的公司之一。硬件市场的另一个主要传统运营商是EnvisionTEC，这是一家领先的工业DLP系统制造商，最近被DesktopMetal收购并更名为ETEC/DesktopHealth。ETEC的生物绘图仪已用于数十项已发表的研究。AdvancedSolutions开发了多轴生物打印机器人（BioAssemblyBot）和相关软件，并与GEHealthcare建立了分销合作伙伴关系。Regenovo是中国生物打印机制造的领先品牌，市场上有几台机器。以硬件为核心业务的低成本解决方案推动公司包括Rokit和Allevi（被3DSystems收购的公司），以及许多其他公司。△EnvisionTEC3D-生物绘图仪，从左到右，3DBioplotter的制造商、开发人员和初学者系列增材制造市场的长期先驱和领导者之一3DSystems通过与UnitedTherapeutics的合作将肺作为关键器官生物打印应用，并与CollPlant合作开发用于乳房重建的组织支架。它还收购了Allevi以建立其商业生物打印硬件业务，并任命前Allevi首席科学官TaciPereira为生物打印总经理。一些开发生物打印硬件技术的公司，例如TandRBiofab、3Dbio、Poietis等，正专注于特定的3D生物打印应用，例如可植入组织和移植物。例如，韩国公司TRBiofab不仅开创了自己的生物打印技术，而且还在为其平台开发各种应用程序。TRBiofab——代表组织工程和再生医学，生物制造——一直在支持一些真正具有开创性的项目。△生物打印主要制造商和设备生物打印材料
聚合物、陶瓷、细胞、细胞聚集体、生长因子、水凝胶、支架成分和其他材料的组合构成了生物打印墨水或生物墨水。为确保细胞活力（即细胞在印刷过程中存活），必须谨慎处理细胞生物墨水。生物墨水有广泛且快速扩展的不同材料可供选择，许多机构和企业都在内部制造材料以满足他们自己的独特需求。随着行业的发展材料的标准化，越来越多的商业生物墨水被引入全球市场。下面，简单介绍一下主要生物墨水公司和材料。设计用于生物打印的生物材料包括应用范围很广的水凝胶、金属、陶瓷、聚合物、复合材料和多孔材料。最佳打印方法取决于材料的物理特性。例如，低粘度材料对生物打印更具吸引力，因为细胞在低压环境中茁壮成长。孔径和互连性等其他材料参数会对封装的细胞产生影响。一般来说，生物打印机中用于生物打印应用的所有耗材都被称为生物墨水。生物墨水有时被用作包含特定细胞的材料，以区别于纯水凝胶和支架材料。生物墨水通常是聚合物，也可以由陶瓷或金属制成。生物墨水进一步分为牺牲生物墨水、基质基础试剂、基质ECMGAG、基质打印增强剂和UV固化生物墨水。在植入的情况下，为了容纳接受者自身的组织，支架材料必须具有生物相容性。植入物必须具有细胞相容性，允许细胞生长、粘附、增殖和迁移，同时对宿主无害并且不会引起明显的炎症或免疫排斥。组织工程支架由几乎所有无细胞3D打印材料制成，包括金属、合成和天然聚合物。为了提高硬组织修复替代物的机械强度，通常采用金属和羟基磷灰石粉末作为起始材料。●水凝胶水凝胶是成功培养和维持细胞的重要工具，因为它们允许细胞在3D环境中生长并与周围环境相互作用。在3D模型中生长的细胞具有更高的生理相关性，能够改善的细胞活力、形态、增殖和分化。它们由保留大量水的聚合物链的大型三维网络组成，所以水凝胶是生物打印的理想材料。海藻酸盐、胶原蛋白、明胶、gelMA、纤维蛋白和透明质酸是常见的水凝胶材料。藻酸盐是一种藻类衍生的多糖（一种聚合碳水化合物分子）。它由两个重复的单糖组成。交联藻酸盐因其与天然ECM相当的结构、良好的生物相容性和易于快速凝胶化而在3D组织/器官打印中极具潜力，它还适用于组织工程应用中。甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸残基在胶原蛋白中含量丰富。胶原蛋白是许多组织细胞外基质(ECM)中最普遍的蛋白质，它通过形成三螺旋在生理环境下形成水凝胶。由于存在可刺激细胞粘附的细胞相互作用RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸），胶原蛋白也被认为是一种很好的细胞包封材料。△来自Humabiologics的人源性胶原蛋白。变性胶原蛋白也用于制造明胶，该物质作为胶凝剂广泛应用于食品、医药和化妆品行业。纤连蛋白、波形蛋白、玻连蛋白和RGD肽都是明胶中的常见蛋白质，可通过整合素受体诱导细胞附着。由于其可接受的生物学特性和可定制的物理特性，明胶甲基丙烯酰(GelMA)，水凝胶已被广泛用于许多生物医学目的。由于包含细胞附着和基质金属蛋白酶敏感肽基序，GelMA水凝胶密切反映了原始ECM的几个重要特征，允许细胞在基于GelMA的支架中增殖和扩散。透明质酸(HA)是一种生物材料，由ECM的线性多糖成分组成。对于3D组织/器官打印应用，该材料表现出高生物相容性、粘弹性、亲水性和生物降解性。●细胞、类器官和球状体组织和器官的打印在很大程度上依赖于细胞打印。然而，严格的打印条件限制了可用的生物墨水材料。此外，生物材料刚度、官能团和表面形状对细胞行为有影响。对于生物打印墨水，细胞通常被封闭在模仿组织样环境的可生物降解水凝胶中。水凝胶的特性可以保护内部细胞免受打印过程中产生的剪切应力的影响，从而使它们能够保持干细胞自我更新和多谱系分化能力等生物功能。细胞球体是基本的3D模型，可以由多种细胞类型制成，并由于粘附细胞固有的聚集愿望而形成球体。胚状体、乳腺球、肿瘤球体、肝球和神经球都是球体的例子。在体外，成人组织干细胞可以生成自组织的3D类器官。类器官是在体外生长的自组织3D结构，嵌入细胞外基质(ECM)中，类似于它们的起源器官，类似于进化的球体。它们可以由一系列组织和细胞来源制成，包括原代组织外植体、细胞系、多能成体干细胞、多能胚胎干细胞（ES细胞）和诱导多能干细胞（iPS细胞）。●生物可吸收聚合物在3D生物打印中，有几种不同的合成聚合物被广泛使用，包括聚己内酯(PCL)、聚（乳酸-共-乙交酯）(PLGA)、聚乙二醇(PEG)等。为了增加细胞反应，可以结合合成和天然聚合物的混合物。由于其低熔化温度(59–64°C)和易于打印加工的特点，PCL在微挤出过程中应用最广泛。PCL也是无*的、生物相容的并且具有水解诱导的整体侵蚀/生物降解特征，允许在分解之前保持结构的形状。PCL是一种组织工程支架材料，可用于3D打印3D组织和器官的支架作为支撑框架，以确保打印的载细胞结构的形状保真度。△4DBiomaterials将一类新型材料商业化：液体树脂可以打印成固体3D支架植入物●陶瓷由于其出色的机械性能、骨传导性和与骨骼的相容性，磷酸三钙(TCP)、HA/羟基磷灰石、ZrO2（氧化锆）和SiO2（硅酸盐）等陶瓷通常用于骨组织工程。最常用于骨组织工程的陶瓷是羟基磷灰石（HA，不要与透明质酸混淆，后者也是HA）。HA可以多种形式用于3D生物打印技术，包括粉末、浆液和颗粒。3D打印技术所需的流动性可以通过将HA造粒或将其与其他聚合物溶液混合来实现。对于粉状HA颗粒的聚结，甚至细胞的包含，聚合物溶液经常用作液体粘合剂。由于HA大量存在于人类的牙齿和骨骼中，△使用LithaBoneTCPD打印的CMF植入物，这是一种以陶瓷材料β-磷酸三钙(β-TCP)为基础的浆料。生物打印技术
材料喷射是最早的生物打印技术的基础。这种方法与Stratasys的PolyJet或3DSystems的MultiJetPrinting等3D打印材料喷射方法有关，类似于传统的2D喷墨打印。早期的生物打印机是经过改进的2D喷墨打印机，可将生物成分喷洒到移动的Z轴平台上，以创建堆叠的3D层。如今，市场上的大多数生物打印机都基于挤出技术，但最高端的系统集成了多种（激光辅助和无激光）工艺。支架提供机械支撑和物理环境，使细胞能够粘附、生长和维持其生理能力。为了使细胞粘附、增殖、分化和分泌细胞外基质，支架必须提供良好的生物相容性或细胞相容性。ECM中富含生物活性化合物。另一方面，传统的三维支架制造方法缺乏对内部结构特征和拓扑结构的精细控制。另一方面，一些聚合物增材制造技术，从材料挤出到立体光刻，甚至选择性激光烧结，都可以用来制造复杂的界面组织工程支架。然而，支架仍然是以间接方式进行生物打印结构的工具。因此，它们具有无支架生物打印技术可以克服的几何限制。如果将活细胞直接打印到基底上，由于细胞的自然活动，支撑结构可以自动生成。在这种情况下，无支架生物打印可能是在生物打印结构中生成复杂血管系统的可行选择。●激光辅助生物打印生物打印工艺，如工业3D打印，可以进一步分为使用激光引发聚合（硬化）反应的工艺和不使用激光（通常使用热量或压力）的工艺。这些也称为LAB（激光辅助生物打印）和LFB（无激光生物打印）。直接激光辅助生物打印采用类似于激光立体光刻(SLA)中使用的激光源，将基板上液滴形式的活细胞引导至预定位置。在转移细胞后，接收基质包含生物聚合物或细胞培养基以维持细胞粘附和增殖。另一方面，激光与细胞的长时间直接接触会导致细胞存活受限。LIFT(LaserInducedForwardTransfer)和LGDW(LaserGuidedDirectWriting)是两种LAB方法，然而，立体光刻技术是当今商业开发最重要的LAB技术。这与3DSystems的先驱CharlesHull于年发明的方法相同。在生物打印中，立体光刻分为多个子类别。微立体光刻(MSTL)是一种在微米尺度上制造3D自由曲面物体的技术，它使用光学元件来缩小激光束的直径。另一种方法是基于投影的微立体光刻技术(pMSTL)，它使用DLP3D打印技术来制造微结构。聚合物、响应性水凝胶、形状记忆聚合物是常用的材料。双光子聚合(2PP)是一种基于激光的3D打印工艺，采用双光子吸收(2PA)和激光启动化学反应，引发光敏材料的聚合，类似于立体光刻，但更精密（以纳米级）在所有3D打印技术中，2PP的分辨率最高，研究人员已经能够使用它为细胞粘附和增殖建立3D打印结构。●体积生物打印传统生物打印和增材制造技术的可扩展性受到打印速度的限制，因为冗长的生物制造过程会损害细胞功能。体积生物打印能够通过在几秒到几十秒的时间内打印结构。年，来自乌得勒支医学中心和洛桑联邦理工学院(EPFL)的一组研究人员展示了使用体积可见光激光打印机处理细胞友好型水凝胶生物树脂，从而实现大型活组织结构的生物打印。科学家们专门为该项目开发了一种定制生物打印机，目标是建立一家专门致力于将这些应用程序商业化的衍生公司。该研究的作者包括生物打印先驱，例如乌得勒支医学中心的JosMalda教授和RiccardoLevato教授。目前所有的生物打印都依赖于重复构建块（通常是载有细胞的水凝胶纤维或体素、单细胞或细胞聚集体）的逐层沉积和组装，体积打印方法是一种基于可见光投影的全息投影方法，可以从基于明胶的光响应水凝胶中生成具有高活力的载有细胞的组织结构，这很难用传统打印来实现，可以制造具有嵌入血管生成芽和半月板移植物的小梁骨模型。年，同一小组能够实现大规模（1立方厘米）工程化肝脏单元的超快速（20秒）体积生物打印，它们不仅仅是模型，他们是具有功能性的，能够在人体内消除关键*素，为再生医学和药物开发测试(DDT)开辟新的机会。●无激光生物打印无激光生物打印包括喷射（喷墨或MJ）打印和材料挤出(MEX)3D打印。这两种技术的根本区别在于，在材料喷射中，打印头包含多个微型喷嘴，而在挤压3D打印中，每种材料仅由一个喷嘴（或最多两个或三个）挤压和沉积。喷墨、声学液滴喷射和微阀生物打印是基于液滴的生物打印中使用的三种不同技术。声波生物打印使用声波产生液滴，电磁泵用于在微阀生物打印中喷射液滴。连续喷墨(CIJ)、按需喷墨(DoD)和电液动力(EHD)喷射是喷墨生物打印的三个子系列。按需滴落生物打印使用热量或压电致动器（或静电力）来产生液滴，电液动力喷射(EHD)生物打印使用高压电。材料挤出，也称为熔融沉积成型(FDM)或熔丝制造(FFF)，是一种通过强制粘性液体或熔融材料通过喷嘴来铺设堆叠材料层的方法。可以挤出热塑性聚合物长丝，例如聚乳酸(PLA)或热固性塑料、细胞悬浮液和UV固化光聚合物。挤出生物打印机可以使用活塞、气动或螺杆方法利用各种粘度的材料制造部件。挤出方法通常较慢，但它们可以提供高细胞存活率，非常适合硬组织工程。挤出生物打印系统可以包含多个打印头来挤出不同的材料，例如支架和细胞材料（例如，由Postech大学研究人员开发的MHDS或多头沉积系统）。Atala博士在维克森林再生医学研究所(WFIRM)的团队在年展示了一种集成的多头组织器官打印机(ITOP)，旨在生产稳定的、任何形状的人体组织结构。●其他生物打印方法静电纺丝是一种多功能的3D打印技术，是将带电的粘弹性聚合物溶液喷射到收集器上以制造纤维。聚合物溶液输出和收集器之间的高压产生的强电场引导带电聚合物溶液的行进路径。这种方法可以制造出尺寸从几微米到几纳米不等的超细纤维。磁性3D生物打印是一种使用生物相容性磁性纳米粒子将细胞组装成3D结构或培养物的技术。Nano3D(n3D)Biosciences（现为Greiner-OneBio所有）开发了一种纳米梭，这是一种磁性纳米颗粒组合，由金、磁性氧化铁和聚L-赖氨酸组成，有助于通过静电相互作用粘附在细胞膜上。外部磁力可用于将标记有磁性纳米梭的细胞排列成模仿组织结构和功能的特定3D模式。与挤压技术相比，磁性方法要快得多。佐贺大学的KoichNakayama教授设计了Kenzan技术，培养了球体或细胞聚集体，每个球体有数万个细胞。在没有任何额外支持材料的情况下，将球体直接插入细针阵列中，并与相邻的球体结合以形成连接结构，细胞球体可以定位在任何所需的三维配置中。最后，在生物反应器中生长相连的细胞球体可促进细胞自组织并产生具有适当功能和质量的3D组织。生物打印的应用器官和组织衰竭是医疗保健中一个棘手且代价高昂的问题，这也意味着生物打印在生成用于植入的功能器官方面的潜力是增材制造的长期未来最重要的机会。但许多预测报告在预测AM的未来收入时很少考虑生物打印技术领域，尽管它有可能在未来二十年内覆盖整个制造业务的2%，因为商业器官的生产应用远远超出了任何实际分析的范围。另一方面，世界各地器官的稀缺性是组织工程研究的重要推动力，尤其是设计细胞-支架-微环境以刺激多种组织再生，包括皮肤、软骨、骨骼、肌腱和心脏组织。●皮肤和骨骼在组织工程中，生物打印能够创建比传统实验室方法具有更高分辨率和复杂性的结构。生物打印已成为用各种材料（包括陶瓷和纳米材料）制造软骨组织工程支架的常用方法。●软骨软骨是一种灵活的结缔组织，对于日常人类活动中的弹性和平稳运动至关重要。它由称为软骨细胞的细胞组成，周围环绕着由蛋白质和碳水化合物组成的凝胶状基质。与骨骼不同，软骨没有血液供应，因此无法快速自我修复。这一特性使其成为早期生物打印实验应用的理想候选者，因为它不需要复杂的毛细管作用。△TRBiofab使用3D生物打印技术重建或再生新软骨组织受到了很多
