3D打印技术自诞生以来，应用领域不断扩大，给人们带来了许多惊喜。细胞3D打印，就是其中相当耀眼的部分。

01  为何细胞需要3D打印

我们知道，细胞是生物体基本的结构和功能单位。已知除病毒之外的所有生物均由细胞所组成，而病毒生命活动也必须在细胞中才能体现。人体由单个受精卵经过复杂的网络化调控和特定的时间跨度发育而来，细胞经过分化形成了许多形态、结构和功能不同的细胞群。许多形态相似的细胞及细胞间质构成组织。组织按一定的次序联合起来，形成具有一定功能的结构，即是器官。数个器官有序地连接起来，共同完成一项或几项生理活动，就构成了人体系统。

3D打印又称快速成型、增材制造。它是一种以数字模型文件为基础，基于“离散-堆积”原理，运用各种具有一定粘合能力的材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。3D打印技术具有“所见即所得”、成形与制备一体化、短流程现场制造、自动化和高柔性等特征，特别适合构建个性化和结构复杂的物体。
由于人类个体之间的差异性（也称为个性化）、人类组织和器官解剖结构的复杂性，将3D打印技术应用于构建活性的人体组织和器官，就成为了必然趋势。细胞3D打印技术是上世纪末以来“医工结合”的一个结晶——生物学是研究生物的结构、功能、发生和发展规律的科学，其目的是阐明生命活动的原理和调控因素，为医学健康等领域服务；而工程学是将科学知识或技术的发展应用于工业生产，以达到改造自然目的的手段和方法。正是两者的碰撞和交叉，使得细胞3D打印技术成为可能，并快速发展。

02 如何进行细胞3D打印

细胞3D打印，是以活的细胞（或干细胞）为基本构建单元，辅助以生物材料（也称为生物墨水），在仿生原理和发育生物学原理的指导下，按照预先设计好的计算机模型，通过3D打印技术将细胞/生物材料/生长因子等物质放置在特定的空间位置，并通过层层粘接形成所要求的三维结构体。该结构体可在体外长期培养，并在合适的培养液和流体条件下，让细胞在三维环境中增殖和分化。伴随着人工组织的逐渐生长、发育和成熟，能够形成具有生理功能的人工组织和器官。

这些人工结构体可以用于在体外进行药物检测、生物学研究、疾病发生规律探索等研究，而且我们还可将结构体进行体内移植，以修复、替代和维持病损组织的功能。

相对于常用的3D打印材料（如塑料、金属、陶瓷等），细胞是极其脆弱的活性物质，需要生活在温度、渗透压、PH、气体等严格控制的无菌环境下。这也是细胞3D打印技术的难点问题和本质特征之一。

在过去不到20年的研究时间里，清华大学、哈佛大学、MIT等多所大学和研究机构开发了多种细胞打印技术，根据使能方式的不同可分为四大类：微滴喷墨技术、挤出式生物绘图技术、激光辅助细胞打印、立体光刻细胞打印（如图2所示）。这些技术各有其独特优势、局限性以及适用范围，人们可以需要根据具体情况和需求选择合适的技术。

03展望未来

近年来年，细胞3D打印技术相关研究呈现爆发式增长趋势。目前已有利用细胞3D打印技术构建人体软骨、皮肤、肌肉、血管、心肌、肺、神经等组织的报道，但目前都还处在实验室研究阶段。令研究者们更为振奋的是，如今国内外已出现多家细胞3D打印设备生产厂家，代表性企业包括中国捷诺飞生物科技股份有限公司、德国Envision TEC公司、瑞士Regen Hu公司等。其中我国捷诺飞公司以其打印同步成像反馈控制技术、高保真打印技术等关键核心技术创新得到了科研与产业界的广泛认可，占据了国内50%以上市场，产品远销海外。

总体来说，细胞3D打印研究目前正处于技术积累和真正服务于人民健康的临界点。随着大量实验室研究的不断涌现，人工结构体的生物功能、批量化稳定生产、全流程多环节质量控制，以及相应法制法规的出台和完善都将是下一个十年的重要命题。有理由相信，在不久的将来，细胞3D打印机将成为生物实验室的常规设备，而高度仿生的工程化人体组织和器官，也将为人类“器官再生”的梦想奠定重要基石。

作者简介：
姚睿 清华大学机械工程系 特聘研究员 博士生导师