其实早在20世纪80年代，早期的3D打印技术已经开始崭露头角。随着科技不断的快速发展，进入21世纪后，3D打印技术取得了更为显著的突破，不仅能够打印出复杂的结构和精密的零部件，还可以实现多材料、多色彩的打印。这使得3D打印在制造业、医疗、航空航天、等多个领域的应用更加广泛和深入。设计自由度高：3D打印可以制造出复杂的几何形状，这些形状在传统制造方法中可能难以实现或成本过高。快速原型制作：3D打印技术可以快速制作出产品原型，加速产品开发周期。材料利用率高：3D打印按需添加材料，减少了材料浪费。个性化定制：可以根据客户需求定制产品，满足个性化需求。分布式制造：3D打印机可以放置在任何地方，实现本地化生产。成本效益：对于小批量生产或复杂零件，3D打印可以降低成本。具体在生物医用领域，3D打印技术涵盖了从简单的模型制作到复杂的组织和器官的打印。主要包括：定制化医疗器械：3D打印技术可以根据患者的具体情况，打印出符合其需求的定制化器官，如牙齿、骨骼等，提高移植成功率并减少排斥反应的发生。此外，还可以定制化制造外部支架、矫形器等医疗设备，根据患者的身体扫描数据，打印出定制化的义肢或矫形器。组织工程和器官重建：3D打印技术在组织工程中发挥重要作用，可以打印出具有生物活性的组织结构，如皮肤、软骨等，用于修复和再生医学。药物开发：3D打印技术可以开发更多生理相关的模型，打印出人体组织的模型，用于模拟药物在人体内的作用和反应，从而更准确地评估药物的疗效和安全性，加快药物的研发进程。生物3D打印：生物3D打印技术使用特制的“生物墨水”，包含细胞和生物材料，可以制造出人造器官和生物医学产品。这项技术的研究关键在于生物墨水、打印技术以及组织重建或体外器官功能化。器官芯片：3D打印技术用于创建器官芯片，这些芯片是微流控芯片，模拟人体器官的功能和结构，用于药物测试和疾病研究。人造器官：3D打印技术已经能够打印出具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏，尽管目前这些心脏还不能用于移植，但它们为研究和药物测试提供了重要工具。
宾夕法尼亚大学、美国科罗拉多大学Jason A. Burdick 团队以“Additive manufacturing of highly entangled polymer networks”为题于2024年8月1日发表于《Science》上，Marc S. Lavine编辑是这样总结这篇文章的：在三维（3D）打印聚合物时，存在一个权衡：快速硬化可以确保打印形状的强度和保真度，而较慢的反应速率允许更多的下游处理，但可能与某些打印方法不兼容，比如槽式聚合。Dhand等人设计了单体，这些单体可以部分通过快速光引发聚合反应，然后通过一个缓慢的、由氧化还原引发的进程，从而形成长聚合物链和密集的纠缠。该过程的关键是保持引发剂的含量在一个低水平。这种方法能够打印出具有功能性单体、复杂形状和多种材料的物体 [1]。
文章中介绍了CLEAR打印是一种结合了光聚合和暗反应（即无需额外光源或热源的化学反应）的3D打印技术，由于 CLEAR打印的水凝胶和弹性体具备更密集的聚合物链纠缠，所以展现出比传统的数字光处理（DLP）打印材料更高的弹性模量和断裂功。CLEAR打印技术通过其独特的聚合和固化过程，提供了一种制造高性能和功能性3D打印物体的新方法，这在许多传统3D打印技术中都是极其难以实现的。鉴于3D生物打印技术能够生成具有高细胞密度的组织构造，这些构造在结构和功能上更接近于人体自然组织，从而有望显著提高细胞治疗的效果。一周后，也就是8月8日，哈佛医学院Yu Shrike Zhang等人 在《Science》以“Regenerative cell therapy with 3D bioprinting”为题讨论了再生医学中的细胞疗法，特别是如何通过生物制造技术提高治疗细胞的传递效率和组织融合能力。文章强调了实现高效细胞传递、保持细胞存活和功能以及确保组织整合是再生医学中细胞疗法成功的关键挑战。
常见细胞疗法存在难以逾越的困境
常规操作方式为使用注射器针头或导管将细胞流体直接注射到体内目标部位，但注射的细胞无法保留在目标部位。无定形可注射水凝胶生物材料（微凝胶和多孔聚合物微球等）虽然在目标部位聚集，但是与原始组织相比降低了细胞密度，以及人工引入的生物材料的组成和空间组织与原始细胞外基质（ECM）和组织结构的差异。
无生物材料的细胞密集构建物的使用在临床前研究和临床试验中在再生目标组织方面取得了不同程度的成功，但是缺乏细胞组织可能对一些需要符合治疗部位原始几何形状的应用来说是不够的（例如在皮肤损伤或肌肉损失的情况下，匹配组织结构以实现结构、功能和美学结果）。3D生物打印是一种具有精确时空细胞和生物材料模式的生物制造方法
挤出生物打印：它使用喷嘴将生物墨水（细胞加上其他必要的结构和活性成分）以及通常多种生物墨水，逐点并逐层地沉积到收集板上。
喷墨生物打印：它将微小的生物墨水滴射成精确的模式.
聚合生物打印：槽聚合使用一个或多个预装有生物墨水的槽通过光化学（单光子和多光子）或声化学来生产3D构建物。 高细胞密度的生物打印组织的现有制备方式
到目前为止，将添加生物制造与无生物材料、细胞密集的生物墨水结合使用一直依赖于使用台式生物打印机，这意味着组织必须首先被制造出来，成熟到分化表型，然后才能移植。不过，如何在患者体内实现现场打印是临床治疗想要看到的结果。现场生物打印可能具有高度的适应性；降低污染风险；更简化的程序；以及提高的细胞活性、功能、宿主融合度和美观外观。因此，现场生物打印不仅可以在医院环境中增强伤口再生，也可以在紧急情况下发挥关键作用。
使用传统生物打印机，如在外科手术过程中直接应用。将打印头小型化，以便它可以安装在手持设备中，以实现外科医生指导的手工绘图跨越治疗部位。预计当现场生物打印开始包含真正的无生物材料生物墨水，其中只包含单个细胞或其聚合体（球状体或类器官）时，它可以释放再生医学的全部潜力。与以前仅通过简单注射实现的随机架构相比，满足当地组织确切的结构、功能和美学需求的细胞密集的聚合体将成为可能。生物密集模块的生物打印需要与周围组织微环境适当粘附，模块内部的内聚性需要保持，这可能并不简单，需要额外的设计考虑。
论文来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8593
[1] A.P. Dhand, M.D. Davidson, H.M. Zlotnick, T.J. Kolibaba, J.P. Killgore, J.A. Burdick, Additive manufacturing of highly entangled polymer networks, science (385) (2024) 566-572.文章来源：EngineeringForLife
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