希望通过分享生物3D打印技术的最新进展，激发更多研究者关注并参与解决器官短缺和疾病治疗的难题，从而推动医学领域的创新和发展。
导 读
面对全球器官移植需求激增和供体短缺矛盾的凸显，医学界亟待寻求有效的解决方案。同时疾病研究和药物开发的传统研发模式耗时长且成本高，产业界也急需新的研发模式。生物3D打印技术通过精确组装活细胞和生物材料，可实现个性化器官的按需制造。这项突破性技术有望解决器官移植的供需矛盾，并显著加速医学研究和新药开发的进程。
图1 人体器官按需制造流程示意图 (A)人体器官的重要子网络系统，如血管和传导系统; (B)心脏的分级多尺度结构; (C)调节人体器官功能的各种生化和生物物理线索
研究背景
器官移植是治疗器官失能的主要手段，但全球供体短缺严重，供需比例高达1:15，仅少数患者能获得所需器官，且移植后的长期免疫排斥反应也是一大难题。传统疾病研究和药物开发多依赖二维细胞模型和动物模型，这些方法耗时长、成本高、失败率高，因此，迫切需要研发能够精确模拟人体生理和病理状态的器官，用于临床和研究。
近年来，随着生物3D打印和干细胞技术的进步，器官制造也取得了显著突破。相比异种移植，利用患者自身细胞制造的人工器官能够减轻免疫排斥反应同时规避伦理问题。生物3D打印通过精确组装活细胞和生物材料，开创了构建复杂组织和器官的新途径。这类人工器官可根据需求定制，成为研究生理/病理微环境、药物和基因对器官功能影响的理想模型。2022年美国颁布了《FDA现代化法案2.0》，废除了动物试验的强制规定，为器官体外制造及转化应用扫清了制度障碍。
器官打印的挑战与展望
尽管生物3D打印技术已经取得了重要进展，但实现与人体器官功能和结构相似的器官体外制造仍面临挑战（图1）。首先，器官的高度异质性和动态变化，使得复制其复杂形态和细胞特征尤为困难。未来研究需结合干细胞技术和CRISPR/Cas9等先进的细胞编程技术，调控多种细胞谱系的发育命运，实现人工器官的功能重建。其次，器官的生存依赖复杂的血管网络，而当前的生物3D打印技术只能制造较粗的血管结构，细微血管仍需通过内皮细胞自组装形成。以心脏的体外制造为例，心肌纤维的螺旋排列有助于提高泵血效率，复制这种复杂的宏微多尺度结构是亟待解决的难题之一。因此，如何快速构建并无缝整合多尺度血管网络，以及纳入神经、淋巴等系统，是器官打印技术未来发展的关键。
研究者正探索利用物理场、化学调控、高通量打印策略等方法，实现载细胞生物软材料的精确成形。人体器官的发育受多种生物、化学和物理信号调控，开发能再现和调控这些信号的生物反应器，可有效促进3D打印器官的功能成熟。打印制造过程中，还要在规模化生产与个性化制造间取得平衡，需要用自动化、标准化、智能化的打印工艺取代传统的试验-错误法，通过整合人工智能和机器学习技术控制设计和制造过程，并结合多传感器实时监控与校正，提高器官打印的质量与效率。
器官打印制造还可应用于开发多器官互联芯片系统，用于疾病建模和药物筛选，但实现多器官互联还需解决组织整合、生理同步及稳态维持等关键挑战。通过生物3D打印与器官芯片技术，有望准确复制特定器官的复杂结构及其理化生条件。通过传感器监测和自适应反馈机制，结合人工智能和机器学习算法分析系统数据，有助于提升多器官互联芯片的生理同步性，优化器官芯片系统性能。
结语
生物3D打印作为新兴技术，尽管目前仍处于初级阶段，且面临诸多挑战，但随着技术进步和多学科交叉，这些难题有望逐步被克服。未来在生物材料、干细胞调控和生物3D打印领域的持续创新，将推动按需制造人体器官的发展，为器官移植提供可行的替代方案，改变疾病研究的范式，并加速新药物和疗法的开发。
展 望
未来，生物3D打印技术有望在个性化器官制造中取得突破，解决器官移植的供需矛盾和免疫排斥问题。随着生物材料、干细胞和打印技术的进步，精准制造的体外器官将不仅在结构上模拟真实器官，还能在功能上接近人类生理状态。未来研究将重点开发新型生物材料、提升打印分辨率和效率，并开发能模拟再生微环境的生物反应器。通过融合人工智能和机器学习技术，生物3D打印将推动再生医学领域的变革，实现个性化医疗和疾病精准建模。
责任编辑
李 澜 南京鼓楼医院
张志萍 河南农业大学
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原文链接：
https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100096
作者简介
熊卓 清华大学机械工程系长聘教授。现任北京机械工程学会副理事长，北京市生物制造及快速成形重点实验室副主任。国际上最早（1999年）开展细胞3D打印的研究者之一，2004年主持了国家自然科学基金委在细胞3D打印领域的第一个资助项目（No.30400099），率先提出了基于单元受控堆积成形的细胞3D打印技术并获得首个发明专利，发明了多种细胞3D打印工艺与低温沉积制造工艺，2023年基于微卫星平台开创了复杂肿瘤模型的太空生物3D打印的先河，相关成果两次被教育部鉴定为国际领先水平。近年来主持和承担国家自然科学基金联合基金重点项目以及部委项目多项，在Nature Communications、Advanced Materials、Materials Today、Biomaterials等期刊发表百余篇论文，被引3800余次，H因子35。获得发明专利授权30余项，多项专利成果已转化，多款设备实现了商品化生产，并获机械工业科学技术奖发明奖1项、北京市科学技术奖1项。
方永聪 清华大学机械工程系助理研究员。获得国家重点研发计划项目（承担子课题）、国家自然科学基金青年基金、博士后站前特别资助、博士后面上项目等资助，入选北京市科协2023-2025年度青年人才托举计划。近5年，以第一作者/通讯作者在Advanced Materials（2篇）, Materials Today, Advanced Functional Materials, Advanced Science等领域权威期刊发表15篇文章，总引用750次，申请中国和美国发明专利共12项，研究成果被麻省理工科技评论、央视新闻等媒体报道。现任机械工程学会增材制造分会青年委员，同时担任The Innovation等多本权威期刊青年编委和客座编辑。
