3D打印技術(shù)自誕生以來，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，給人們帶來了許多驚喜。細胞3D打印，就是其中相當耀眼的部分。
01 為何細胞需要3D打印
我們知道，細胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。已知除病毒之外的所有生物均由細胞所組成，而病毒生命活動也必須在細胞中才能體現(xiàn)。人體由單個受精卵經(jīng)過復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)控和特定的時間跨度發(fā)育而來，細胞經(jīng)過分化形成了許多形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能不同的細胞群。許多形態(tài)相似的細胞及細胞間質(zhì)構(gòu)成組織。組織按一定的次序聯(lián)合起來，形成具有一定功能的結(jié)構(gòu)，即是器官。數(shù)個器官有序地連接起來，共同完成一項或幾項生理活動，就構(gòu)成了人體系統(tǒng)。

圖1 3D打印技術(shù)原理示意圖
3D打印又稱快速成型、增材制造。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，基于“離散-堆積”原理，運用各種具有一定粘合能力的材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)具有“所見即所得”、成形與制備一體化、短流程現(xiàn)場制造、自動化和高柔性等特征，特別適合構(gòu)建個性化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體。
由于人類個體之間的差異性（也稱為個性化）、人類組織和器官解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)建活性的人體組織和器官，就成為了必然趨勢。細胞3D打印技術(shù)是上世紀末以來“醫(yī)工結(jié)合”的一個結(jié)晶——生物學(xué)是研究生物的結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的科學(xué)，其目的是闡明生命活動的原理和調(diào)控因素，為醫(yī)學(xué)健康等領(lǐng)域服務(wù)；而工程學(xué)是將科學(xué)知識或技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，以達到改造自然目的的手段和方法。正是兩者的碰撞和交叉，使得細胞3D打印技術(shù)成為可能，并快速發(fā)展。
02 如何進行細胞3D打印
細胞3D打印，是以活的細胞（或干細胞）為基本構(gòu)建單元，輔助以生物材料（也稱為生物墨水），在仿生原理和發(fā)育生物學(xué)原理的指導(dǎo)下，按照預(yù)先設(shè)計好的計算機模型，通過3D打印技術(shù)將細胞/生物材料/生長因子等物質(zhì)放置在特定的空間位置，并通過層層粘接形成所要求的三維結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體可在體外長期培養(yǎng)，并在合適的培養(yǎng)液和流體條件下，讓細胞在三維環(huán)境中增殖和分化。伴隨著人工組織的逐漸生長、發(fā)育和成熟，能夠形成具有生理功能的人工組織和器官。
這些人工結(jié)構(gòu)體可以用于在體外進行藥物檢測、生物學(xué)研究、疾病發(fā)生規(guī)律探索等研究，而且我們還可將結(jié)構(gòu)體進行體內(nèi)移植，以修復(fù)、替代和維持病損組織的功能。

圖2 細胞打印工藝原理和設(shè)備實物圖
相對于常用的3D打印材料（如塑料、金屬、陶瓷等），細胞是極其脆弱的活性物質(zhì)，需要生活在溫度、滲透壓、PH、氣體等嚴格控制的無菌環(huán)境下。這也是細胞3D打印技術(shù)的難點問題和本質(zhì)特征之一。
在過去不到20年的研究時間里，清華大學(xué)、哈佛大學(xué)、MIT等多所大學(xué)和研究機構(gòu)開發(fā)了多種細胞打印技術(shù)，根據(jù)使能方式的不同可分為四大類：微滴噴墨技術(shù)、擠出式生物繪圖技術(shù)、激光輔助細胞打印、立體光刻細胞打印（如圖2所示）。這些技術(shù)各有其獨特優(yōu)勢、局限性以及適用范圍，人們可以需要根據(jù)具體情況和需求選擇合適的技術(shù)。
03展望未來
近年來年，細胞3D打印技術(shù)相關(guān)研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢。目前已有利用細胞3D打印技術(shù)構(gòu)建人體軟骨、皮膚、肌肉、血管、心肌、肺、神經(jīng)等組織的報道，但目前都還處在實驗室研究階段。令研究者們更為振奮的是，如今國內(nèi)外已出現(xiàn)多家細胞3D打印設(shè)備生產(chǎn)廠家，代表性企業(yè)包括中國捷諾飛生物科技股份有限公司、德國Envision TEC公司、瑞士Regen Hu公司等。其中我國捷諾飛公司以其打印同步成像反饋控制技術(shù)、高保真打印技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新得到了科研與產(chǎn)業(yè)界的廣泛認可，占據(jù)了國內(nèi)50%以上市場，產(chǎn)品遠銷海外。
總體來說，細胞3D打印研究目前正處于技術(shù)積累和真正服務(wù)于人民健康的臨界點。隨著大量實驗室研究的不斷涌現(xiàn)，人工結(jié)構(gòu)體的生物功能、批量化穩(wěn)定生產(chǎn)、全流程多環(huán)節(jié)質(zhì)量控制，以及相應(yīng)法制法規(guī)的出臺和完善都將是下一個十年的重要命題。有理由相信，在不久的將來，細胞3D打印機將成為生物實驗室的常規(guī)設(shè)備，而高度仿生的工程化人體組織和器官，也將為人類“器官再生”的夢想奠定重要基石。