生命科学高级科学家Djeda Belharazem博士 djeda.belharazem@biomex.de

销售与项目副总裁Manish Kumar博士 manish.kumar@biomex.de

生物打印技术正在将打印心脏、皮肤和软骨等功能性组织的科幻梦想变为现实。生物打印技术利用先进的3D打印技术，将活细胞、生物材料和生长因子分层，以创建与天然组织高度相似的生物结构。这项技术的精确性和多功能性使科学家能够复制组织的复杂结构，使我们离制造整个器官的目标更近了一步（Murphy & Atala，2014）。

生物打印的关键技术：

1. 喷墨生物打印：这种方法以高精度和快速著称，特别适用于生产皮肤和软骨，因为细胞在其中的精确放置至关重要（Chang等人，2011）。
2. 挤压式生物打印：通过将生物墨水从喷嘴挤出，适用于各种生物材料粘度，擅长制造较大的组织结构（Jia等人，2016）。
3. 激光辅助生物打印：这种技术非常适合制作复杂结构，它利用激光能量精确定位细胞和材料，非常适合需要高分辨率细节的组织（Keriquel等人，2017）。

这些技术只是冰山一角。当与细胞外基质的天然光泽相结合时，生物打印的潜力将呈指数级增长。

细胞外基质：自然界生命的蓝图

• 细胞外基质（ECM）是大自然的支架——组织和器官中的非细胞成分。它提供物理结构和生化线索，指导细胞行为，确保组织随着时间的推移而发展、运作并保持完整性。ECM是由蛋白质、糖蛋白和其他分子组成的复杂网络，在组织健康中发挥着至关重要的作用（Frantz等人，2010）。
• 通过利用ECM的固有特性，科学家可以制造出生物墨水，支持打印细胞的存活，并引导其生长为功能性组织。这是生物打印和ECM之间真正协同作用的体现。

协同效应：ECM如何将生物打印技术提升到新的高度

• ECM与生物打印技术的结合带来了变革。ECM如何提升生物打印技术，引领再生医学的发展：

卓越的生物墨水配方：

• 基于ECM的生物墨水可复制组织的天然微环境，促进细胞粘附、增殖和分化。这确保了打印的组织更接近其天然对应物（Pati等人，2014）。
• 在生物墨水中使用ECM可构建出模拟人体组织生理条件的结构，使其更适合临床应用。

提高结构完整性：

• 胶原蛋白等蛋白质存在于ECM中，因其交联能力而闻名，
  可提高生物打印结构的机械稳定性（Hynes & Naba，2012）。
• 混合生物墨水将ECM与合成聚合物相结合，兼具
  合成材料的强度和天然材料的生物学相关性（Datta et al.，2017）。

组织特异性功能：

• 不同的组织具有独特的ECM成分。通过调整生物墨水中的ECM成分，科学家可以创建支持血管生成（血管的形成）或神经发生（神经组织的发育）的专用组织（Pietraszek等人，2018）。

增强细胞活力和功能：

• 细胞外基质与细胞相互作用，促进组织健康和功能的重要信号传导过程（Gaharwar等人，2020）。
• 细胞外基质可以隔离和释放生长因子，确保细胞在适当的时间生长和分化。

优化可印刷性：

• 基于ECM的生物墨水通常具有卓越的流变特性，这意味着它们在印刷过程中更易流动，且在印刷后能更好地保持其形状（Groll等人，2016）。
• 这些生物墨水可以发生与温度相关的凝胶化，从而为印刷结构提供稳定性，而无需使用有害的交联剂。

支持复杂结构：

• 增强型细胞外基质生物打印技术可实现多材料打印，这对于开发具有不同特性的异质
  组织至关重要（Nguyen等人，2019）。
•  细胞外基质支持分层结构的能力使打印的组织能够更好地复制心脏、肝脏和肾脏等器官的复杂性（Chung等人，2020）。

现实应用：未来就在眼前

生物打印和ECM的结合已经在多个领域掀起波澜：
再生医学：

• 从烧伤患者的皮肤移植到关节修复的软骨，生物打印与ECM的结合正在推进功能性组织移植的现实（Campbell & Weiss，2020）。
• 未来，可以根据患者的需求定制打印整个器官，从而降低排异反应的风险，并消除漫长的移植等待时间。

药物研发：

• 生物打印的ECM组织为测试提供了更逼真的模型，有望减少动物试验并加速药物研发过程（Knowlton等人，2015）。

个性化医疗：

• 通过将患者自身的细胞与ECM增强型生物墨水结合使用，科学家可以创建与个体生物学相匹配的个性化组织结构，从而降低免疫排斥的风险并改善治疗效果（Ozbolat，2017）。

癌症研究：

• 结合ECM的生物打印肿瘤模型为研究癌症进展和测试新疗法提供了精确的平台，更真实地模拟了肿瘤微环境（Kang等人，2020）。

芯片器官：

• 将微流体技术与增强型细胞外基质生物打印技术相结合，可以制造出复杂的芯片器官模型，这些模型可以复制人体器官的功能。这些模型可用于疾病建模、药物筛选以及研究毒素和病原体的影响（Bhatia和Ingber，2014）。

挑战和未来方向：

尽管取得了进展，但挑战依然存在：

• 标准化：需要基于ECM的标准化生物墨水，以确保实验室之间的可重复性和可靠性（Gopinathan和Noh，2018）。
• 扩大规模：虽然小规模生物打印已经显示出前景，但创建适合临床使用的较大组织或器官仍然是一个重大障碍（Moroni等人，2018）。
• 监管障碍：生物打印组织的安全性和有效性必须在临床应用前进行严格的测试和验证（De Coppi等人，2021）。

摘要：医疗新时代的曙光

生物打印与细胞外基质的协同作用正在革新再生医学。通过将3D生物打印的精确性与细胞外基质的生物学相关性相结合，我们离创建功能齐全的复杂组织和器官的目标更近了一步。随着该领域的发展，个性化、 医疗的未来正在被一层层打印出来，生命本身的本质——细胞外基质——被注入到每一个细胞和结构中。

参考资料：

• Bhatia, S. N., & Ingber, D. E. (2014). Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology, 32(8), 760-772.
• Campbell, P. G., & Weiss, L. E. (2020). Tissue engineering: The unprecedented advances of bioprinting. Science Translational Medicine, 12(536), eaay7962.
• Chung, J. W., et al. (2020). Bioprinting strategies for fabricating heterogeneous tissues. Trends in Biotechnology, 38(12), 1284-1296.
• Datta, P., et al. (2017). Bioink properties for 3D bioprinting. Biotechnology Journal, 12(6), 1700150.
• De Coppi, P., et al. (2021). Bioprinting tissues and organs. Nature Reviews Bioengineering, 2, 123-136.
• Frantz, C., et al. (2010). The extracellular matrix at a glance. Journal of Cell Science, 123(24), 4195-4200.Gaharwar, A. K., et al. (2020). Mechanically stiff nanocomposite hydrogels for 3D bioprinting. Nature Reviews Materials, 5(8), 562-575.