近幾年來，3D打印技術的問世以及普及，給科學技術的發展以及人們的日常生活帶來了前所未有的便利。在生物醫學研究與臨床治療領域，3D打印技術的貢獻也是功不可沒，下面小編就對這一領域的最新進展做一下盤點。

1. Circulation Res：重磅！3D打印補丁或有望修復心臟病患者受損的心臟

近日，發表在國際雜志Circulation Research上的一篇研究報告中，來自明尼蘇達大學等機構的研究人員通過研究開發出了一種具有革命性的3D生物打印補丁，其能夠幫助修復心臟病發作后患者的出現疤痕的心臟組織，該研究對于后效治療心臟病發作患者機體的組織損傷非常關鍵。

據美國心臟協會數據顯示，心臟病是引發美國人死亡的頭號兇手，其每年會引發超過36萬人死亡；在心臟病發作期間，患者機體的血流往往不會泵入到心臟肌肉中，從而就會引發心臟細胞死亡；我們的機體無法替換掉這些心肌細胞，因此機體的心臟中就會形成疤痕組織，從而就會使得患者處于心臟功能受損以及未來暴發心力衰竭的風險之中。

這項研究中，研究人員利用基于激光的3D生物打印技術將衍生自成體心臟細胞的干細胞摻入到了一種特殊支架中，這種干細胞就能夠在特殊支架生長，并且在實驗室的培養皿中還可以實現同步跳動。當將細胞補丁置于模仿心臟病發作的小鼠模型機體中時，研究者發現在接下來四周時間里小鼠機體的心臟功能發生了明顯的增加，由于這種補丁是由心臟中土生土長的結構蛋白和細胞組成，其會轉變成為心臟中的一部分并且被機體所吸收，這樣就可以讓患者免于手術了。

研究者Brenda Ogle說道，這是治療心臟病的一項巨大突破，未來我們或許應該擴展到對大型動物的心臟進行修復，比如人類。這項研究不同于此前研究的一點就在于研究者能夠根據原始心臟組織的數字三維結構蛋白開發出這種補丁，這種數字模型能夠通過3D打印技術制造出心臟天然的物理結構，未來或有望對衍生自干細胞的心臟細胞類型進行整合，僅利用3D打印技術，研究人員就能夠達到一微米的分辨率來模擬原始心臟組織的結構。

研究者非常驚訝這種3D補丁能夠讓心臟組織具有復雜性，他們也能夠觀察到支架中排列整齊的細胞，以及跨越補丁結構的持續電信號波。最后Ogle說道，下一步他們還將通過更為深入的研究來開發在豬心臟中進行檢測的大型補丁，而豬的心臟和人類心臟在尺寸上非常相似。

2. J Neurointerv Surg：顱內動脈的3D打印模型推動高分辨MRI的進步

來自南卡羅琳娜醫科大學的中風神經學家們與與來自麻省理工學院的生物工程師合作完成了一個顱內狹窄動脈的3D仿真模型。這一模型可以被用于規范高分辨MRI掃描的診斷方法。相關結果發表在最近的《Journal of NeuroInterventional Surgery》雜志上。

高分辨的血管壁MRI技術主要用于研究腦血管中的斑塊成分，對于顱內動脈粥樣硬化的病理分析具有重要的作用。然而，由于高分辨MRI的操作流程一直以來不夠規范，使得不同診療單位之間無法共享數據。因此該技術沒有得到長足的發展。

為了解決這一問題，來自南卡羅琳娜醫科大學的神經學家Turan與來自麻省理工學院的生物工程師們合作設計了一款顱內動脈仿真血管模型。該模型能夠逼真地反映顱內動脈的狹窄狀態以及內部存在的斑塊結構。目前，該模型正在各大研究所廣泛研究，并將用于建立標準化的MRI診療方法。文章中的成像試驗結果分別來自于6項美國境內的醫學試驗以及兩組來自于中國的醫學試驗。

精細的“操作平臺”是建立高分辨MRI成像技術標準流程的重要前提條件。然而，要想完成這一平臺的設計需要若干年的時間。對于研究者們來說，下一個重點研究的問題是在不同的生產廠商出品的MRI儀器之間建立能夠相互識別的網絡。

中國是該“平臺”的共享地之一，同時也是顱內動脈粥樣硬化高發的國家之一。Turan正在與協和醫學院的研究者們建立合作，利用更多的試驗數據完善這一基于3D模型建立的平臺。“只有加強合作，才能夠更快地取得進展，而這一平臺為我們的合作提供了有利的工具”，Turan說道。

3. Biomaterials：什么？菠菜可以用來做心臟組織？

研究人員已經成功地使用菠菜葉來造出具有完整血管、能輸送血液的的功能良好的人體心組織。為了解決捐助器官長期的短缺問題，科學家一直致力于在實驗室里培養各種組織甚至整個器官。 但是培養細胞只是解決方案的一部分 ——如果沒有恒定的血液供應，他們根本就不會茁壯成長。

構建可以工作的精細血管（也稱為脈管系統）網絡是非常困難的，特別是毛細血管，只有5到10微米寬。 血管的功能是傳輸這些組織樣本所需的氧氣和營養。現在由伍斯特理工學院（WPI）的科學家領導的團隊已經通過使用植物中已存在的微小的靜脈網絡，將菠菜葉成功地轉化為活的心臟組織。

科學家在他們的文章中寫道：“植物和動物用來輸送液體、化學物質和大分子的方法從根本上是不同的，但是在血管網絡結構方面也有驚人的相似之處。“研究人員不用試圖從頭開始構建脈管系統，他們只需剝離菠菜葉，直到僅剩將葉子保持在一起的精細纖維素結構。

植物中的纖維素是實驗室生長樣品中使用的重要材料，因為它已經被很好地研究過，與生物組織相容，而且還便宜--植物資源非常豐富且容易生長。 在這項研究里，科學家是在當地市場上購買的菠菜。為了獲得菠菜的細小血管結構，該團隊通過在葉子中循環一種洗滌劑溶液來將植物細胞沖走，這個過程稱為脫細胞。
首席研究員Joshua Gershlak說：“我之前已經對人類心臟進行了脫細胞化工作，當我看著菠菜葉時，它讓我想到主動脈。”“所以我想，讓我們來灌注植物的莖。我們一開始不確定它會奏效，但事實證明這個方法是容易且可復制的，它在許多其他植物上也奏效。”

該團隊還剝離了歐芹和甜蒿的葉子，并在花生植物毛根中也用了此技術。他們期望通過進一步的研究，讓為不同的組織選擇不同的植物成為可能——例如，木材的結構可能在骨骼工程中是有用的。為了在真實的組織樣品中測試纖維素支架，他們最終使用菠菜，因為它和心臟組織一樣具有高密度的輸送管。研究人員將菠菜葉血管結構與心肌細胞接種，他們興奮地看到，在幾天之內，心臟細胞就像人體組織一樣開始自發收縮。

Gershlak說：“現在的想法是，既然我們已經得到具有血管網絡的非常薄而平坦的組織，所以我們應該能夠疊加多個葉子并創建一塊心臟組織。”心臟組織移植對于心臟病發作后，心臟已經損傷、不能再愈合的患者是有用的。到目前為止，這項研究只是一個概念證明，而且該團隊仍在尋找將其與活的人體組織結合在一起的方式。研究人員寫道：“目前尚不清楚植物脈管系統如何融入人身上的脈管系統，以及是否存在免疫反應。”但該團隊總體來講還是十分樂觀的。

WPI實驗室的生物醫學研究員Glenn Gaudette說： “我們真的相信這種支架能夠幫助治療。 我們還有更多的工作要做，但到目前為止這是非常有希望的。”“此方法簡單到只需要資源豐富的菠菜葉，并把它變成一種有血液流經的組織，這真是非常令人興奮的，我們希望它能夠在此領域取得重大進展。 “這不是科學家在培養組織時第一次在植物上尋求啟發——加拿大渥太華大學的Pelling實驗室去年成為頭條新聞，他們的項目是用蘋果切片生長人類耳朵。

而不僅僅是生物組織科學家們在植物系統內部探索——上個月，研究人員成功地發展了一個“機器人玫瑰”，其莖葉和葉子內部具有電子循環功能。使用菠菜也不是創建人體組織血管網絡的唯一方法。 科學家一直在研究使用3D打印來創建血管，并且剛剛有少量成功案例被報道。時間會證明，哪種方法在實驗室外更可行，但這絕對是一個令人興奮且矚目的發現。

4. mBio & eLife：利用小型3D球體模型就能夠有效抵御結核病

近日，來自南安普敦大學等機構的研究人員通過研究開發了一種在實驗室用于研究人類機體感染的新型3D模型，文章中研究人員利用靜電封裝技術制造出了一種小型3D球體，其能夠在被結核分枝桿菌（TB）感染的人類細胞中產生密切反映患者機體疾病的狀況，相關研究刊登于國際雜志mBio和eLife上。
這種新型3D球體能夠幫助研究人員深入研究機體感染結核病時所發生的事件，同時研究者也希望基于本文研究結果開發出新型的抗生素療法和抵御結核病的疫苗。研究者Paul Elkington教授說道，這是結核病研究領域的一項重大研究進展，這種3D球體能夠在膠原蛋白基質中被創建以便其看起來和人類肺部非常相似，與此同時也能夠產生一種特殊環境來使得治療患者的特殊抗生素能夠有效殺滅引發肺結核的細菌，目前這在其它2D模型系統中還無法實現，這種新系統或將加速研究人員尋找治療人類結核病新型療法及開發疫苗的速度。
此外，這種新型3D球體結構還能夠將整個實驗過程延長至三周，是標準2D模型系統的4倍多，還能夠為科學家們提供更多信息來闡明患者機體感染的發生過程以及不同干預措施對患者疾病的效果。

下一個階段研究人員希望同位于德班的非洲衛生研究院的研究人員進行合作研究，目前在德班有著較高的結核病發病率，而且研究人員也希望盡快引入這種3D模型來對高風險結核病患者機體的細胞進行深入研究。

研究者Elkington補充道，我們很高興能夠對研究進一步擴展，并且聯合多個專家開發新一代的實驗室系統來用于更多疾病的研究，尤其是那些在資源匱乏國家中比較流行的傳染性疾病；同時我們也將利用所開發的新型3D模型來同對臨床樣本進行研究的工程學和生物學方法進行整合，最終開發出用于研究人類機體感染的全新系統。

來自非洲衛生研究院的研究人員Al Leslie博士表示，目前我們同很多傳染病專家以及工程師在一起工作，我們堅信通過長期的聯合研究定能在結核病領域的研究取得突破性的研究成果，同時我們也希望能夠開發出新型療法來有效抵御結核病的傳播，當然本文中所開發的新型3D模型也將會加速我們在抵御致死性疾病傳播領域的發現步伐。

5. Biofabrication：首次開發出三維生物打印機打印人皮膚

在一項新的研究中，來自西班牙馬德里卡洛斯三世大學（UC3M）和格雷戈里奧-馬拉尼翁綜合大學醫院（Hospital General Universitario Gregorio Mara?ón）的研究人員與BioDan集團（BioDan Group）合作，開發出一種三維生物打印機原型，從而能夠制造出完全功能性的人類皮膚。這種皮膚適用于移植到病人體內或者用于研究或測試化妝品、化工產品和藥用物品。相關研究結果近期發表在Biofabrication期刊上，論文標題為“3D bioprinting of functional human skin: production and in vivo analysis”。

在這項研究中，研究人員首次證實利用這種新的三維打印技術制造出合適的人類皮膚是可能的。論文共同通信作者、UC3M生物工程與航空航天工程系教授José Luis Jorcano指出這種皮膚“能夠被移植到病人體內，或者用于商業環境中大量地測試化工產品、化妝品或藥用物品，并且針對這種測試制定出與這些用途相匹配的時間表和價格”。

這種新的人類皮膚是利用生物打印制造出的人類器官之一。它具有天然的人類皮膚的組織結構：位于最外面的具有角質層的表皮，起著抵御外部環境的作用；比表皮位于更深處和更厚的真皮。真皮是由產生膠原蛋白的成纖維細胞組成的。膠原蛋白讓皮膚具有彈性和機械強度。

生物墨水（bioink）是三維生物打印的關鍵。當利用三維生物打印機制造皮膚而不是墨水盒和彩色墨水時，研究人員使用了攜帶生物組分的噴射器。根據格雷戈里奧-馬拉尼翁綜合大學醫院研究員Juan Francisco del Ca?izo的說法，“了解如何混合這些生物組分、在什么條件下利用它們開展研究以至于細胞不會發生功能惡化以及如何正確地儲存產品，在這種系統中發揮著至關重要的作用。”儲存這些生物墨水的行為是由一臺計算機控制著的。這臺計算機以一種有序的方式將它們儲存在打印床上，隨后制造出人皮膚。

制造這些組織的過程能夠以兩種方式開展：利用很多細胞制造同種異體皮膚用于工業過程；利用病人自己的細胞制造自體皮膚用于治療目的，如用于治療重度燒傷，這種自體皮膚制造方法依具體情況而定。研究人員注意到，“我們僅使用人細胞和組分制造出具有生物活性的皮膚，這種皮膚能夠產生它自己的人膠原蛋白，因而避免其他方法中使用的動物膠原蛋白。”這并不是全部，這是因為他們也正在尋找打印其他人組織的方法。

這種新技術具有幾種優勢。BioDan集團首席執行官Alfredo Brisac指出，“這種生物打印方法允許以一種標準化的自動化方法制造皮膚，而且這種方法并不如手工制造那么昂貴。”

當前，這種制造方法正在接受不同的歐洲監管機構的審批以便確保制造出的這種皮膚適用于移植到燒傷病人和具有其他皮膚問題的那些病人體內。此外，這些組織能夠被用于測試藥用物品、化妝品消費者化工產品，畢竟當前的法律要求這種測試不能在動物體內開展。

6. Cell Stem Cell:創造人工腎臟可能需要這種技術

美國薩克研究所的科學家們最近開發了一種在體外培養腎祖細胞（Nephron Progenitor Cells）的方法，在此之前一些維持腎祖細胞培養的嘗試經常失敗，培養的細胞或者死亡或者失去發育潛能，無法保持祖細胞狀態。

腎祖細胞，至少對人類來說，經常只存在于胚胎發育的一個短暫階段。這些細胞會繼續發育形成腎單位，負責血液過濾排出尿液。但是成人體內不存在腎祖細胞，在損傷或疾病狀態下，不能生成新的腎臟組織。科學家們認為在實驗室中獲得腎祖細胞將為研究腎臟發育最終幫助治療腎臟疾病提供一種新方式。

其他科學家曾經使用誘導多能干細胞獲得腎祖細胞樣細胞，這種方法通常需要花費很長時間，并且很難分離得到比較純的細胞群體，產生的腎祖細胞樣細胞也只能維持較短時間，幾天之內就會發育成熟變成成體腎臟細胞，因此一直以來沒有穩定的祖細胞群體可供科學研究。

在研究伊始，研究人員直接從小鼠胚胎中分離腎祖細胞，開發能夠維持祖細胞狀態的方法。他們發現如果將細胞培養在3D培養條件下，再加入一些信號分子混合物，就能夠長時間穩定維持腎祖細胞狀態。隨后將這些3D培養的祖細胞轉移到其他條件或移植到動物體內可以發育形成具有功能的腎單位樣結構。

接下來研究人員又利用人類胚胎腎祖細胞以及從干細胞分化得到的人類腎祖細胞找到了適用于人類腎祖細胞培養的方法。他們再一次證明這種方法能夠在體外長期維持腎祖細胞。研究人員表示該研究使用的3D培養策略也有可能應用于其他類型祖細胞的培養。他們計劃接下來研究培養發育成完整腎臟所需的其他類型祖細胞的方法。如果能夠實現對其他類型祖細胞的培養，那距離創造一顆可供移植的人工腎臟將不再遙遠。

7. PNAS：利用干細胞定制具有抗炎作用的3D打印軟骨

為了不用手術就可以治療磨損發炎的髖關節，科學家們在類似髖關節股骨頭的3D支架上誘導干細胞進行編程生長為新的軟骨，同時結合基因治療還可以激活新軟骨釋放抗炎分子防止關節炎復發。該工作由華盛頓大學醫學院的研究人員完成，發表在國際學術期刊PNAS上。

這項技術使用了一種3D可生物降解的合成支架，這種支架可以根據病人關節的準確形狀進行定制，再利用病人皮膚下脂肪組織中的干細胞誘導形成軟骨，將其覆蓋在3D支架上從而獲得新的關節軟骨。隨后將新軟骨植入發炎髖關節表面，用活組織重新覆蓋髖關節，從而消除關節炎疼痛，延緩甚至消除一些病人對關節替換手術的需要。

除此之外，研究人員還借助基因療法將一個基因插入到新生的軟骨細胞中，再用一種簡單藥物將其激活，該基因可以促進抗炎分子的釋放進而防止關節炎復發。“在有炎癥的時候，我們可以給病人一種簡單的藥物，激活我們植入的基因來降低關節部位的炎癥，這樣我們就可以在任意時候停止給藥來關閉基因的表達。”研究人員這樣說道。

這種基因療法是非常重要的，當關節部位的炎癥分子水平增加，軟骨會受到損傷，疼痛也會出現。將基因療法加入到干細胞和3D打印支架技術中，研究人員相信這將有助于阻止關節炎復發，讓植入軟骨發揮更長時間的作用。

有數據表明目前有3000萬人美國人被診斷為骨關節炎，而骨關節炎的發生率處于上升態勢。該數字中包含許多年齡在40到65歲的相對年輕病人，這些病人由于受到年齡限制還不適合進行關節替換手術，而傳統的方法又不是特別有效。研究人員認為這部分病人或在將來成為使用這種新技術的理想候選人

8. 世界上首例3D打印藥物問世

毫無疑問，3D打印技術正在改變整個世界。從工業生產到設計，醫藥以及電力，這一技術對產品產生了革命性的推動作用。它將曾經昂貴且不易獲得的產品變得廉價而又普遍。

因此，我們對Aprecia制藥公司剛剛發布的一項聲明也不會感到意外。根據《Science News Journal》的報道，Aprecia藥業成為首個利用3D打印技術生產藥物的企業，它們首次通過這一方法生產的藥物叫做"Spritam"，主要用于治療羊癲瘋。目前，該藥物不僅被成功打印出來，而且得到了FDA的批準，目前該藥物已經在美國上市。3D打印藥物的明顯優勢在于其快速溶解的特性。通過3D打印的方法，這些藥物以粉末為初始形態，通過逐層疊加成為最后的藥片。

對于"Spritam"來說，3D打印使得其更能夠滿足吞咽能力障礙的患者的需求（羊癲瘋患者通常會有這樣的癥狀）。這些藥物在剛進入喉嚨時能夠快速溶解，不會造成氣管的堵塞。3D打印將會最終推動個體化劑量以及定制藥物組合等未來醫療方向的發展。更重要的是，這一藥物的成功將會為其它藥物的3D打印提供新的希望。

3D打印藥物是3D打印技術一個革命性的突破，從此，它的用途不僅局限于電子產品與玩具，而是更為嚴肅的，與人類健康息息相關的藥物產品。從3D打印器官，假肢，到如今的藥物，標志著未來醫療發展的新方向。

9. Biofabrication：手持式3D“打印筆”可高效打印出人類干細胞

近日，刊登于國際雜志Biofabrication上的一項研究報告中，來自澳大利亞的研究人員通過研究，利用一種手持式的3D打印筆在自由模式下成功繪制出了具有較高生存率的人類干細胞。研究者開發的這種新型設備可以幫助外科醫生在手術期間進行個性化的軟骨移植。

研究者指出，利用水凝膠式的“生物墨水”來攜帶并且支持人類干細胞生長，并且利用較低的光源來凝固“生物墨水”這種打印筆運輸的干細胞的存活率就會超過97%。而這種新型的3D打印筆同時也為組織工程學研究帶來極大幫助，比如其可以逐層打印出細胞，用來構建可供移植的人工組織。

但在某些情況下，比如進行軟骨修復的過程中，植入物的精確幾何學特性或許就不能夠被精確應用于外科手術中，這就使得進行人工軟骨組織移植物的前準備工作變得復雜而且困難；新型打印筆的作用就好像外科醫生的手一樣，可以將定做好的支架或移植物準確填入患者機體缺失的部位。研究者Choong教授說道，這種新型設備的開發是科學家和臨床醫生共同努力的成果，對于改善研究以及患者的治療將帶來空前的改變。

這種打印筆比較輕便小巧、具有人體工程學特性及可消毒特性，同時還配備有較低功率的光源及固化劑；研究者認為這種新型設備后期將可以更好地幫助科學家們“繪制打印”出人類干細胞以供臨床研究是治療之用。

10. Biomaterials：3D打印技術用于大腦研究

在一項發表在Biomaterials雜志的研究中，來自澳大利亞和美國的一隊研究人員用3D方法打印大腦結構的方法，以便培養神經細胞模擬真實的大腦。大腦占有2%體重，由超過一億個神經元細胞組成，是個非常復雜的器官。科學家能運用動物模型研究大腦，但最近很多工作都在試圖尋求替代品，此舉受到英國國家中心NC3Rs（National Centre for the Replacement, Refinement & Reduction of Animals in Research）的支持。

其中一種替代品是在實驗室創造大腦模型：在結構材料中培養大腦細胞，讓科學家在組織中觀察。在這之前，這僅在二維上有可能——產生細胞薄膜。Gordon教授與同事們利用3D打印技術，模仿大腦的層狀3D結構以更準確的模擬大腦。最近幾年3D印刷的到來，創造含有某種材料甚至是活細胞的結構，讓我們開始探索非常基礎的問題。在類似真實大腦的3D結構中觀察發生的的情況，使我們更好的理解阿爾茲海默癥、帕金森病等退行性疾病。

這個多學科成員組成的小組中有臨床醫生，生物學家，材料學家和化學家等，他們用結冷膠來創建新的三維結構。結冷膠是由細菌鞘氨醇單胞菌伊樂組成，經常在微生物實驗室用于膠化劑。他們用結冷膠創建生物油墨，而它們與大腦細胞結核。結冷膠有助于細胞生長，用網狀結構發揮作用。Biomaterials主編Kam教授解釋了這項研究的重要性，無法接近人的大腦細胞使對大腦的分子研究充滿挑戰。大腦類結構對應用于分析疾病模型和藥物研發都非常寶貴的價值。