发布3D生物打印技术在类器官和器官芯片工程中的发展与应用相关综述！

随着医学和生物工程的快速发展，对能够准确复制人体复杂结构和生物功能的3D模型需求日益增长。传统的二维(2D)细胞培养和动物模型在模拟人体生理病理过程方面存在显著局限性，难以准确预测药物在人体内的效果，导致临床试验失败率居高不下。3D生物打印技术作为一项新兴的跨学科融合技术，通过自动化3D生物打印机使用含有细胞、生长因子和生物材料的生物墨水，在受控的体外环境中构建复杂的仿生生物结构，能够复制人体组织和器官的结构与功能特征。

类器官是由器官特异性细胞类型通过干细胞自组织形成的3D结构，能够准确再现人体器官的精细结构和生物功能，在器官发育研究、疾病建模、药物筛选和个性化医疗等领域展现出巨大潜力。器官芯片(OOC)技术结合了"类器官"和"微流控芯片"两种技术，通过将来源于人体的细胞与合成的生理相关培养环境相结合，能够准确模拟人体健康状态和复杂疾病过程的能力。然而，传统类器官和OOC技术仍面临无法完全模拟体内微环境、血管生成不足、空间排序不够精确等挑战。3D生物打印技术能够克服类器官构建的困难，产生复杂、多细胞、可重现的结构，为解决这些技术瓶颈提供了新的解决方案。

近期，郑州大学韩新巍/刘灶渠团队发表在Medicinal research reviews期刊，题为3D Bioprinting for Engineering Organoids and Organ‐on‐a‐Chip: Developments and Applications的文章概述了生物3D打印的基本技术，并探讨了利用该技术开发类器官和器官芯片(OOC)功能组织模型的好处。重点介绍了3D生物打印在药物发现、药物筛选和精确治疗方面的众多应用。此外，该综述还将关注现有技术的制约因素，并提出未来的研究方向。

图示描述

1) 3D生物打印技术优势与分类。研究确定了四种主要的3D生物打印技术类型：喷墨打印、挤出打印、激光辅助打印和立体光刻(SLA)打印。喷墨生物打印具有低成本、易操作和高细胞活力(>85%)的优势，但热致动器可能对高温敏感。挤出生物打印提供高度控制的打印结构，但分辨率有限(100-500μm)且细胞活力降低。激光辅助生物打印具有高细胞活力(>95%)、快速打印速度和高分辨率(10-50μm)，但成本高且激光的长期效应尚不明确。SLA生物打印具有快速打印速度、高分辨率和优异的细胞黏附性，但成本高且UV光照射可能通过细胞毒性损伤降低细胞活力。

图1 3D生物打印技术的主要类型

2) 肿瘤微环境模拟与血管化构建。3D生物打印技术在模拟肿瘤微环境方面表现出色，能够通过精确模拟细胞外基质(ECM)蛋白来准确模拟肿瘤微环境。研究显示，脂肪细胞作为众多肿瘤微环境中的重要基质细胞群体，异常脂肪细胞为癌细胞提供脂质并刺激细胞增殖。Horder等人利用3D生物打印创建了脂肪基质细胞(ASC)球体和乳腺癌细胞的共培养模型，实验证明肿瘤细胞诱导脂肪细胞发生变化，导致脂肪微组织的脂质含量发生改变。在血管化方面，生物打印血管化可分为支架生物打印和无支架生物打印。牺牲性生物打印首先打印由外围壁支撑的牺牲通道，然后溶解通道;同轴生物打印涉及同轴沉积系统中的同心喷嘴，分为核心和壳区，允许同时打印不同的生物墨水。

图2 3D生物打印肿瘤微环境的构建与表征

3) 类器官和器官芯片的多样化应用。研究展示了3D打印类器官在多个器官系统中的广泛应用。在脑组织方面，Joung等人通过挤出生物打印技术和3D打印支架创建了脊髓模型，结合海藻酸盐和甲基纤维素支架与含有神经祖细胞(NPC)或少突胶质细胞祖细胞(OPC)的生物墨水，神经元完全功能化并显示出显著的轴突生长。在肝脏组织方面，Grix等人融合HepaRG和人星状细胞，在静态培养环境中研究打印结构的基本特征，评估SLA打印在生物打印肝类器官方面的实用性。在肾脏组织方面，3D生物打印可以创建复制肾小球复杂结构及其过滤膜的构建体，Lawlor等人使用基于挤出的3D细胞生物打印来提高肾类器官生产效率。

4) 药物发现与筛选中的创新应用。3D生物打印技术在药物发现方面展现出巨大潜力，主要体现在降低药物流失率、改善毒性检测预测性和支持高通量筛选等方面。研究表明，相比传统2D或其他3D模型，体外3D模型表现出更仿生的药物毒性，高度仿生的3D生物打印模型应被考虑用于体外毒性测试。Zhang等人进行的研究提出了一种基于3D生物打印的新型混合打印方法来制造内皮化心肌，心肌在微流体反射器中培养，经过可靠实验后，该模型被证明适用于心血管毒性评估。在高通量筛选方面，Hou等人通过使用细胞排斥表面和结合磁性的生物打印技术，在标准平底384孔和1536孔板中产生类器官，通过对现有药物进行毒性筛选实验证明了其在支持HTS药物筛选方面的价值。

图3 3D生物打印模型在药物毒性筛选中的应用

5) 精准治疗与个性化医疗。3D生物打印技术在精准治疗领域的应用主要集中在耐药性癌症建模、药物递送和确定最佳治疗方案等方面。Hong和Song利用3D细胞打印技术成功打印了体外耐药肿瘤模型，该模型显示ABCG2转运蛋白和GRP-78伴侣蛋白表达显著增加，导致EC50值增加和化疗耐药性增强。在药物递送方面，Grottkau等人采用DVDOD方法进行精确液滴递送到特定位置，使用FITC-葡聚糖作为原型药物递送剂，证明了调节药物随时间释放的能力。研究还显示，根据患者和研究设计的差异，体外肿瘤样器官扩增和药物筛选所需的时间范围可能从四周到十三周不等，3D生物打印表现出高度可重现性和高通量特性，有潜力克服这些限制。

6) 技术挑战与发展机遇。尽管3D生物打印技术显示出巨大潜力，但仍面临生物伦理和法律问题以及新型生物材料创新不足等挑战。在生物伦理方面，干细胞的提取涉及从流产胎儿或活体中获取，引发了伦理关注。胚胎干细胞(ESCs)的使用在许多国家被认为是不道德的，这极大地限制了3D生物打印的发展。在生物材料方面，虽然3D打印具有快速、廉价地生产复杂和个性化设计的能力，但其在医学领域的应用受到生物材料品种稀缺的限制。天然生物材料并不总是满足理想生物墨水的所有要求，例如改善的可打印性往往导致细胞载体生物打印中细胞存活率降低。

全文总结

本研究系统性地评述了3D生物打印技术在类器官和器官芯片工程中的发展现状与应用前景，为该领域的进一步发展提供了重要的理论指导。研究表明，3D生物打印技术能够有效克服传统2D细胞培养和动物模型的局限性，为药物发现、疾病建模和精准医疗提供更加可靠和高效的平台。该技术在提高药物筛选效率、降低临床试验失败率、推动个性化治疗发展等方面具有重要意义。同时，研究也指出了当前技术面临的主要挑战，包括生物伦理问题、生物材料创新不足等，为未来研究方向的制定提供了明确的目标。随着技术的不断完善和相关问题的逐步解决，3D生物打印技术有望在未来15-20年内实现大规模商业化应用，为人类健康事业做出重要贡献。