2020年是特別的一年，但生物3D列印的科研成果的爆發卻絲毫不受影響，今年CNS子刊及AM，AFM和BioMaterials等10分以上期刊累計發文約百篇，全部論文總量近千篇，創歷年最高，在這麼多好文章中遴選出今年10佳著實困難，我們與幾位領域內發過高水平文章的研究者探討，從創新性，稀缺性，影響因子和應用深度及方向等方面綜合考慮，在數十篇候選成果中選出下文10大最值得關注的研究成果分享給大家。可喜可賀的是今年國內生物3D列印研究者優秀成果眾多，在如此競爭激烈中依然有4個成果入選，領跑全球。（也歡迎點選瞭解去年情況年終特稿 | 2019十大最值得關注的生物3D列印研究）

01. GUT | 3D 列印功能性肝臟實現肝衰修復

北京協和醫院肝臟外科毛一雷主任團隊，今年在消化病學和肝病學領域的頂級期刊 GUT(IF=19.819)上發表重磅成果，使用生物3D列印技術，打印出具有多種肝臟功能性的肝臟類器官，移植到肝衰小鼠體內後成功形成功能性血管系統，並可以有效延長肝衰小鼠的壽命，具有人肝臟的藥物代謝的功能（點選檢視詳細解讀：重磅：頂刊GUT | 3D列印功能性肝臟實現肝衰修復）

入選理由：GUT的難發程度恐怕只有醫學界人士才能理解，我們並未在純醫學國際頂刊上見過細胞3D列印的深入研究，這需要極深的醫學理解才能發表，故從醫學認可角度來看，該文章是生物 3D 列印技術目前在實際應用方面的最深入的文章。也是振奮領域的大作，十佳當之無愧。

Yang H, Sun L, Pang Y, et al. Three-dimensional bioprinted hepatorganoids prolong survival of mice with liver failure. Gut Published Online First: 20 May 2020. doi: 10.1136/gutjnl-2019-319960

02. Nature Materials|生物 3D 列印可提升腎臟類器官的構建效率和質量

澳大利亞的 Melissa H. Little 團隊於今年在 Nature Materials 期刊上發表了“Cellular extrusion bioprinting improves kidney organoid reproducibility and conformation”的文章。研究者應用基於擠出式的細胞3D列印技術，以快速，高通量生成腎臟類器官，並具有高度可重複的細胞數量和活力。證明手動類器官的構建可以被生物3D列印所代替，並評估氨基糖苷的相對毒性作為藥物測試概念的證明。另外，細胞3D列印能夠精確地控制生物物理特性，包括類器官的大小，細胞數量和構象，而對類器官構象的修飾則大大增加了每個起始細胞數量的腎單位產量。這有利於製造具有功能性近端管狀段的均勻圖案化的腎臟組織薄片。因此，用於腎臟類器官生產的基於擠出的自動化生物3D列印可提高通量，質量控制，規模和結構，從而促進幹細胞衍生人腎臟組織的體外和體內應用。（詳細解讀：年度好文Nature Materials|生物3D列印可提升腎臟類器官的構建效率和質量）

入選理由：生物3D列印與類器官結合的文章在不斷湧現，但鮮有人仔細對比出3D列印的優勢，研究者用大量的資料證實了生物3D列印具有高速類器官構建能力（手動的9倍速），並有比手動構建更穩定更精確的優勢，生物3D列印在輔助類器官高效構建方面即將爆發！

Lawlor, K.T., et al. Cellular extrusion bioprinting improves kidney organoid reproducibility and conformation. Nature Materials (2020). （https://doi.org/10.1038/s41563-020-00853-9）

03. Nature Materials | 新型類器官列印技術實現大尺寸組織構建

瑞士洛桑聯邦理工學院 Matthias P. Lutolf 課題組在 Nature Materials 發表 “Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoidbioprinting”。介紹了一種新型類器官列印技術方法，該方法結合了類器官制造技術和生物 3D 列印技術的優勢，併成功構建了高度仿生的釐米尺度的組織，包括管狀結構，分支血管和管狀小腸上皮體內樣隱窩和絨毛域等，為藥物發現和再生醫學研究提供了新的技術手段。(詳細解讀：Nature Materials | 新型類器官列印技術實現大尺寸組織構建)

入選理由：又一篇類器官佳作，非常令人驚豔的文章，並沒有複雜的列印技術與控制原理，研究者基於注射泵和手動顯微鏡做了個手動的3d印表機，做出了世界一流的成果，科研有時確實不在拼硬體，而是在拼想象力和決心。

Brassard, J.A., Nikolaev, M., Hübscher, T. et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5

04. Science Advances | 擴充套件生物墨水庫與生物 3D 列印能力

生物 3D 列印存在的一個長久難題是可用的生物墨水有限，帝國理工學院 Molly Stevens 和清華大學歐陽禮亮在 Science Advances 發表題為“Expanding and Optimizing 3D Bioprinting Capabilities using Complementary Network Bioinks”的研究長文，該研究使用互補網路水凝膠這種簡單有效的墨水開發策略，在生物墨水種類與濃度上得到了極大拓展（特別是超低濃度及超軟材質水凝膠墨水），實現十餘種不同墨水的統一成型，在促進擠出式生物列印技術的標準化上具有重要意義。該研究以神經組織及骨組織來源的細胞三維培養和組織成熟為例，強調了選擇合適墨水材料對不同細胞/組織生長的重要性，並倡導了以生物學結果為導向的研究思路。此外，該研究所提供的方法可結合很多已有的生物列印方法(比如懸浮 列印、複合列印等)，並可輕易地在普通商業化或自我開發的生物列印裝置上進行實施， 大大降低技術使用和推廣門檻。（詳細解讀：Science Advances | 擴充套件生物墨水庫與生物3D列印能力）

入選理由：生物墨水研究已層出不窮，各有所長，但很多新材料在擴充套件性和標準化方面欠佳。該研究瞄準生物製造領域的核心瓶頸，以生物學結果為導向，跳出新材料開發的傳統思路，大大解決了生物墨水欠缺這個難題，並提供了一種標準化、低門檻的生物列印解決方案。

L. Ouyang, J.P.K. Armstrong, Y.Lin, J.P. Wojciechowski, C. Lee-Reeves, D. Hachin, K. Zhou, J.A. Burdick, M.M.Stevens, Expanding and Optimizing 3D Bioprinting Capabilities usingComplementary Network Bioinks. Science Advances, 6, eabc5529 (2020).

05. Science advances | 全球首次太空生物 3D 列印

3D Bioprinting Solutions 公司 Vladimir A. Mironov 教授等領導團隊在 Science Advances 期刊上發表了“Magnetic levitational bioassembly of 3D tissue construct in space”的文章。這是人類太空中首次進行生物 3D 列印，研究者專注於空間中微重力條件下 3D 軟骨構造的懸浮生物列印。為了在國際空間站上進行軟骨構造的生物製造，開發了一種新技術方法，使用新型磁性生物組裝器，在空間微重力條件下，以低/無毒的Gd3 +螯合物濃度從活體組織球體中構建的低濃度/無毒的 Gd3 +螯合物。（詳細解讀：我們的征途是星辰大海，真太空生物3D列印來了！）

入選理由：將不可能成為可能，科學的進步離不開無畏者不斷的嘗試與推進。從沒人相信組織/器官可以列印到太空列印成為現實，已歷時10餘年，一步步在實現，生物3D列印正在開創一個新的時代，不止在地球上，我們的征途是星辰大海！

Parfenov V A , Khesuani Y D , Petrov S V , et al. Magnetic levitational bioassembly of 3D tissue construct in space[J]. Science Advances, 2020, 6(29):eaba4174. DOI: 10.1126/sciadv.aba4174

06. Science Advances |體內無創生物 3D 列印

四川大學的苟馬玲研究員、錢志勇教授和魏霞蔚教授團隊在 Science 子刊 Science Advances 發表了一篇題為 Noninvasive in vivo 3D bioprinting 論文。利用近紅外光作為光源，結合 DMD 3D 列印技術，實現了體內無創生物3D列印。研究人員將一種由水凝膠顆粒和軟骨細胞製成的生物墨水注射到小鼠背部，並使用近紅外光(能滲透入面板 2 釐米)照射使水凝膠交聯，並逐層形成人耳狀結構。其中的軟骨細胞在接下來的 一個月中，能依附在這一結構上生長，形成真正的人耳軟骨結構。（詳細解讀：川大團隊實現體內無創生物3D列印，醫美手術或將不再“挨刀”）

入選理由：微創或無創技術對病人手術的痛苦更小，但很難與傳統開放式生物3D列印結合，今年兩個團隊同期分別在Science Advances與Nature Biomedical Engineering的成果讓我們眼前一亮，微創/無創式生物3D列印，未來可期。

Science Advances 03 Jun 2020: Vol. 6, no. 23, eaba7406, DOI: 10.1126/sciadv.aba7406

07. Nature Biomedical Engineering | 活體動物體內生物 3D 列印

義大利帕多瓦大學Nicola Elvassore團隊在Nature Biomedical Engineering發表了一篇名為Intravital three-dimensional bioprinting的研究成果，直接在活體動物中製造三維(3D)結構和功能組織將使器官修復或重建的微創外科技術成為可能。研究者展示了使用生物正交雙光子環加成法和長於 850nm 的聚合物交聯，可以在活小鼠的組織內和組織內生物負載 3D 細胞的光敏聚合物水凝膠。這種活體內的 3D 生物列印不會產生副產品，並且利用常見的多光子顯微鏡將生物列印結構 準確定位和定向到特定的解剖部位，從而可以在活體小鼠組織(包括真皮)中製造複雜 的結構，骨骼肌和大腦。我們還顯示，在小鼠後肢肌肉的表皮下的供體肌肉來源的幹細胞的活體內 3D 生物列印在小鼠中導致肌纖維的從頭形成。活體 3D 生物列印可以作為常規生物列印的體內替代方法。

入選理由：微創或無創技術對病人手術的痛苦更小，但很難與傳統開放式生物3D列印結合，今年兩個團隊同期分別在Science Advances與Nature Biomedical Engineering的成果讓我們眼前一亮，微創/無創式生物3D列印，未來可期。

Urciuolo, A., Poli, I., Brandolino, L., Raffa, P., Scattolini, V., Laterza, C., Giobbe, G.G., Zambaiti, E., Selmin, G., Magnussen, M. and Brigo, L., 2020. Intravital three-dimensional bioprinting. Nature Biomedical Engineering, 4(9), pp.901-915.

08. Advanced Materials | 高精度單細胞列印實現生物結構的逐細胞製備

UCSF 的 Adam Abate 團隊在 Advanced Materials 期刊上發表了“High‐Definition Single‐Cell Printing: Cell‐by‐Cell Fabrication of Biological Structures”的文章。採用高度微型化的微流分選機確定性地選擇感興趣的單個細胞進行列印，從而實現了≈10μm 的精度和≈100Hz 的速度。透過選擇性的單細胞打印製作具有預定義功能的複雜細胞圖案，證明了這種方法。該方法用於合成成分和形態受控的定義明確的球體。該方法的速度，準確性和靈活性將推動生物列印的發展，從而使類器官科學，組織工程學和空間靶向細胞療法的新研究成為可能。（詳細解讀：AM|高精度單細胞列印實現生物結構的逐細胞製備）

入選理由：生物3D列印的一個理想情況就是可控的排列每一個細胞的三維空間位置，這恐怕只有單細胞解析度的列印技術才能實現這個理想，雖然單細胞列印由於噴嘴極細而難以列印高粘度材料，並難以3D成形的制約還沒有被完全突破，但該技術已經可以批次穩定的列印單細胞，在單細胞行為研究等方面勢必有更深的幫助。

Zhang, P., Abate, A. R., High‐Definition Single‐Cell Printing: Cell‐by‐Cell Fabrication of Biological Structures. Adv. Mater. 2020, 2005346. (https://doi.org/10.1002/adma.202005346)

09. Nature Communications | 3D 列印支架恢復雄兔生殖能力

華南理工大學施雪濤教授和美國俄克拉荷馬大學毛傳斌教授構建了一種表面有肝素塗層的 3D 列印水凝膠支架，並向其中植入了缺氧誘導因子(HIF-1α)突變的肌源性幹細胞(MDSCs)，以製備生物工程血管化海綿體。將這種水凝膠支架植入海綿體缺損的兔模型中，顯示出良好的生物相容性，無免疫排斥反應，支援血管組織向內生長並促進新血管生成以修復缺陷。對修復後海綿體組織的形態、海綿體內壓力、彈性和收縮性的評價證明 3D 列印水凝膠支架不僅成功修復了陰莖缺損並恢復了陰莖勃起和射精功能，恢復了受傷雄兔的生殖能力。

入選理由：今年3D列印相關組織工程很好的文章很多，尤其在骨科巨多，但此成果還是令人眼前一亮，從3D列印在組織工程領域研究的稀缺度和功能恢復角度來講值得突出重圍，獲得本年十佳。

An, G., Guo, F., Liu, X., Wang, Z., Zhu, Y., Fan, Y., Xuan, C., Li, Y., Wu, H., Shi, X. and Mao, C., 2020. Functional reconstruction of injured corpus cavernosa using 3D-printed hydrogel scaffolds seeded with HIF-1α-expressing stem cells. Nature Communications, 11(1), pp.1-12.

10. Nature Biomedical Engineering|組合 3D 列印技術用於神經肌肉介面的生物電子植入物

來自德國的 Ivan R. Minev 和俄羅斯的 Pavel Musienko 等在 Nature Biomedical Engineering 雜誌上發表了題為“Rapid prototyping of soft bioelectronic implants for use as neuromuscular interfaces”的文章。研究者透過利用機器人控制的低粘度導電墨水的噴墨列印，絕緣矽樹脂糊料的擠出列印以及透過冷空氣等離子體原位活化電極表面的方 法，證明了可以快速將柔軟的生物相容性材料印刷在要求定製化電極陣列的原型可以很好地適應特定的解剖環境，功能和實驗模型。透過監視和啟用貓，大鼠和斑馬魚的大腦， 脊髓和神經肌肉系統中的神經元通路，列印的生物電子介面可實現長期整合和功能穩定性。該技術可能會為神經修復應用啟用個性化生物電子學。（詳細解讀：Nature Biomed. Eng.|組合3D列印技術用於神經肌肉介面的生物電子植入物）

入選理由：柔性電子的3D列印近些年也是3D列印眾多很火的方向之一，作為柔性電子最大的應用方向之一的生物領域自然必不可少，今年我們選取了其中一篇極具代表性的文章作為年度十佳之一，旨在啟迪同行的視野，未來究竟是組織工程去修復的完美本體人類，還是工程學（包括柔性電子）去增強人類為鋼鐵俠呢？我們拭目以待。

Afanasenkau, D., Kalinina, D., Lyakhovetskii, V. et al. Rapid prototyping of soft bioelectronic implants for use as neuromuscular interfaces. Nat Biomed Eng 4, 1010–1022 (2020). https://doi.org/10.1038/s41551-020-00615-7

文章引用於 https://mp.weixin.qq.com/s/GugcgfztH6mnpJcBSbtOjw