由於新冠疫情影響，2020年諸多產業都收到了重大打擊，即便如此，科學研究也從未停滯不前，在再生醫學領域，生物3D列印技術從列印系統、工藝、生物墨水、器官模型、組織列印等方向，都有著重大突破，今天Nova菌就和大家做一個2020年盤點，共同來了解這些前沿技術進展。
活性生物3D列印心臟模型
卡內基梅隆大學（CMU）生物醫學工程系Feinberg實驗室的研究人員，生物列印了一種心臟模型，它能模仿心臟組織的真實手感、彈性和機械效能，而且還足夠耐用，可以進行處理、縫合和灌注，是手術模擬和訓練的理想工具。
利用他們的自由形態可逆嵌入懸浮水凝膠（FRESH）生物列印技術，首席研究員Adam Feinberg和同事們，成功地證明了由軟性水凝膠製成的大型生物列印心臟組織構造可以實現，並可以外科培訓應用。
△用針將海藻酸鹽列印到水凝膠浴中，隨後將其融化，留下成品心臟模型，圖片由卡內基梅隆大學/dam Feinberg提供
鐳射燒結糖粉的複雜血管網路
來自萊斯大學的研究人員利用糖粉和選擇性鐳射燒結，從複雜、分支和錯綜複雜的糖網路中構建了大型結構，這些糖網路可以在實驗室生長的組織中溶解，為血液創造通路。該團隊的研究結果已經接近模擬生成血管所需的體內條件，克服了3D列印血管化的併發症，這是組織工程中最大的挑戰之一。產生新的3D列印工藝和血管化的生物材料，是萊斯大學Jordan Miller生物工程實驗室研究人員的首要任務之一，該實驗室在使用糖來構建血管網路模板方面已經有了豐富的歷史。這項工作使生物列印界離創造移植用的器官和組織又近了一步。
用於COVID-19研究的生物3D列印組織
來自北卡羅來納州維克森林再生醫學研究所（WFIRM）的安東尼-阿塔拉（Anthony Atala）開發了一種新的多器官，可在晶片上測試藥物的毒性。阿塔拉與其他研究人員一起，在2020年2月發表了一篇論文，聲稱“活體生物組織列印在晶片上” 可以帶來更快更經濟的藥物開發，以及降低藥物上市後的風險。
△整合組織器官印表機（ITOP）在WFIRM的生物列印組織構建，圖片由WFIRM提供
阿塔拉在接受美國外科醫生學院的採訪時表示，他正在利用晶片上的身體結構來研究COVID-19的感染性和抗病毒藥物，以及藥物的毒性水平。更重要的是，專家表示，細胞衍生的3D有機體技術比培養板中的細胞系或動物模型更有幫助。團隊正在測試兩種不同的抗病毒藥物，一種是針對肺部的，另一種是針對腸道的，研究不同的藥劑如何影響這些器官。
微型機器人在體內打印出健康的細胞
來自中國清華大學的研究人員開發了一種微型生物列印平臺，透過內窺鏡進入人體，在體內進行組織修復。為了測試這種新方法，研究人員在胃模型中透過生物列印雙層組織支架成功修復了胃部傷口。他們用明膠-海藻酸鹽水凝膠與人胃上皮細胞和人胃平滑肌細胞作為生物墨水，模擬胃的解剖結構，10天的細胞培養顯示，列印的細胞仍然保持著較高的活力和穩定的增殖，這表明列印組織支架中的細胞具有良好的生物學功能。
該工作是生物列印和臨床科學領域的創新進展。由於胃壁損傷是消化道常見的問題，影響著世界上12%的人口，根據發表在《Biofabrication》上的研究作者，新型的原位體內生物列印平臺是治療這一問題的潛在有用方法。
胃部3D列印模型內的機器人原型特寫，圖片由清華大學提供
用於體內3D列印的新型生物墨水
研究人員開發了一種特殊配方的生物墨水，以微創方式在活體患者體內生物製造3D組織工程支架。這項研究發表在2020年7月的《Biofabrication》雜誌上，由寺崎研究所、俄亥俄州立大學和賓夕法尼亞州立大學的研究人員合作。它專注於一種全新的生物材料配方，可以在體內發現的那種溫度下進行3D列印，並在體內使用可見光進行交聯，利用機器人3D列印構建具有臨床相關尺寸和一致結構的3D組織工程支架。這項工作可以實現在手術室（OR）中直接將合適的細胞和材料送到缺損處。
△直接植入軟活組織的晶格結構，圖片由俄亥俄州立大學提供
太空中3D列印軟骨
最具創新性和未來感的生物列印形式之一是在微重力下完成的。畢竟，如果地球外殖民在未來十年內隨時會開始，生物列印是空間探索者生存的要素。使用由俄羅斯生物技術公司3D Bioprinting Solutions開發的定製設計的磁性3D生物印表機Organ.Aut，在2018年發射到軌道上，宇航員Oleg Kononenko在國際空間站（ISS）上對軟骨進行了生物列印。利用磁場的拉力實現了細胞在微重力下的自組裝，這種懸浮式生物列印的形式為太空再生醫學提供了巨大的潛力。Kononenko在國際空間站俄羅斯段進行了實驗，2020年7月15日，在地球上開發這一系統的研究人員公佈了他們的工作成果。
△Oleg Kononenko使用了一種新型的 "無支架 "組織工程方法，圖片由3D Bioprinting Solutions提供
聲學3D生物印表機
瑞士生物技術初創公司mimiX Biotherapeutics宣佈推出一種全新的生物製造技術，可以透過聲波快速而經濟地生產多細胞功能組織構建。實驗室儀器依靠公司的專利技術 "聲音誘導形態發生"（SIM）生物加工技術，這項技術已經有近十年的歷史，並已被成功證明可以編排血管網路。
在IOPscience雜誌Biofabrication上發表的一篇論文中，研究人員開發了一個體外實驗模型作為概念驗證，以評估SIM建立血管結構的可行性。他們得出結論，即使初始密度較低，細胞也能夠自組裝成功能性多尺度血管網路，並可應用於多個生物醫學領域，包括藥物篩選的3D模型和生物列印自動化組織製造，以實現臨床轉化。
△mimiX Biotherapeutics公司的第一臺聲學生物印表機，圖片由mimiX Biotherapeutics提供
生物列印珊瑚
由於生物列印的應用超出了組織工程和再生醫學的範疇，2020年4月，來自劍橋大學和加州大學聖地亞哥分校（UCSD）的一組研究人員開發了仿生3D列印珊瑚，作為珊瑚啟發生物材料的新工具，可以在藻類生物技術、珊瑚礁保護和珊瑚-藻類共生研究中找到用途。珊瑚啟發的光合生物材料結構是利用快速的3D生物列印技術製造出來的，能夠模仿珊瑚-藻類共生的功能和結構特徵，為生物啟發材料及其在珊瑚保護中的應用打開了一扇新的大門。當時，來自UCSD的跨學科海洋生物學家Daniel Wangpraseurt解釋說，生物列印技術是他開發仿生3D列印珊瑚的一個關鍵點，是珊瑚啟發生物材料的新工具，可用於藻類生物技術、珊瑚礁保護以及珊瑚-藻類共生研究，是該技術真正創新和迷人的應用。
△生物列印的珊瑚，圖片由Daniel Wangpraseurt/UCSD提供
迷你人腎臟
澳大利亞默多克兒童研究所(MCRI)的研究人員和生物技術公司Organovo在實驗室中生物打印出微型人類腎臟,為腎衰竭的新療法和可能的實驗室種植移植鋪平了道路。研究顯示了幹細胞的3D生物列印如何能夠產生移植所需的足夠大的腎臟組織片，這也在一項研究中得到了驗證，用於篩查一類已知會對人造成腎臟損害的藥物的藥物毒性。
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。