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3D生物打印具有通过层层叠加增材制造的方式构建所需载活细胞3D结构的能力。喷墨生物3D打印作为3D生物打印的关键组成部分，利用携带细胞的液滴的沉积制备天然的仿生组织/器官，以期用于修复或替代人体损伤或病变的组织/器官。尽管喷墨生物3D打印已经在各个领域证明了其可行性和通用性，但喷墨生物3D打印机目前的应用仍然受到打印技术和材料选择的限制。

▲ 图1 喷墨打印技术汇总。

在过去的几十年里，各种喷墨打印技术都取得了显著的进步，如图1所示：根据液滴的产生和沉积机制，可分为三类，即连续喷墨（CIJ）打印、按需喷墨（DOD）打印和电动流体动力（EHD）喷墨打印。压电喷墨打印PIJ（MicroFab等）是一种通过压电陶瓷挤压墨水产生液滴的按需喷墨打印（DOD）技术，在液滴形成过程中，喷头内腔会因压电陶瓷变形而膨胀或收缩，产生用于生物墨水喷射和液滴形成的压力脉冲，PIJ生物3D打印的打印性能可以通过优化打印参数来调节，例如驱动电压信号的参数和生物墨水的材料组成，此外，PIJ生物3D打印机具有更广泛的喷头口径选择（5至120μm），并且喷头清洁易于进行。

▲ 图2 喷墨生物3D打印体外仿生3D组织结构。

据报道，喷墨生物3D打印已被广泛用作各种领域的功能工具，尽管目前的喷墨生物打印结构用于临床试验仍然具有挑战性，但喷墨生物3D打印已被广泛用于体外组织/器官重建以及体内组织替代品和高通量药物筛选模型的形成。Christensen和他的团队利用MicroFab的喷口直径120μm的MJ-ABL喷头及其控制器JetDrive III生成稳定生物墨水液滴，每个液滴都被用作一个像素来构建3D结构，如图2b所示。Sungjune Jung教授团队使用MicroFab喷墨生物打印系统Jetlab II，打印四种人类肺泡细胞系，即I型和II型肺泡细胞（NCI-H1703和NCI-H441）、肺成纤维细胞（MRC5）和肺微血管内皮细胞（HULEC-5a），制备了三维仿生肺泡屏障模型。3D体外模型更好地再现了肺组织的结构、形态和功能，可以再现对流感感染的实际组织水平反应，显示了3D体外模型用于病理和药物应用的巨大潜力，如图2f所示。

▲ 图3 喷墨生物3D打印体内组织替代品。

喷墨生物打印构建体不仅用于体外模型，还被用作体内组织修复，如图3所示。使用喷墨生物3D打印技术制造的几种工程组织/器官已被移植到动物体内。如骨、软骨和皮肤等简单结构已有植入案例，复杂的组织/器官缺乏足够的机械性能和结构完整性未能成功移植，但随着生物打印技术越来越成熟，预计将有越来越多的工程组织或器官实现体内植入并走向临床，以完全替代受损组织/器官。

▲ 图4 高通量药物筛选模型。

药物筛选是药物开发过程中的一个重要步骤，喷墨生物3D打印的出现为解决当前药物筛选的困境提供了一种新的解决方案。在药物筛选中使用喷墨生物3D打印可以显著提高效率并减少材料消耗。具有非接触式特点的喷墨生物3D打印提供了一种更有效和准确的方式来创建化学反应的环境，小体积的液滴可以高频率沉积在预定位置并且没有污染。

据近年来的研究报道可知，机械工程、材料科学和生物学专家之间的跨学科合作对于推动喷墨生物3D打印的发展是必要的。MicroFab喷墨打印技术也已证明其在组织工程和制药领域的可行性和多功能性，适用于喷墨生物3D打印材料有限的问题也在逐渐被解决，对多种材料进行3D生物打印，将是3D生物打印的未来趋势，也是3D生物打印走向3D工程组织和器官临床移植的下一步。

参考文献：