“3D生物打印的创新、个性化、定制化三大特点，使得它在体外生物结构模型制造上具有独特优势，这一优势也是生物医学应用极其需要的。”清华大学机械工程系生物制造工程研究所主任孙伟日前对记者表示，3D生物打印这种时髦的技术是工程、材料、信息、生命及医学等几大学科的大交叉，能够提供个性化的医疗和理想化的服务，为疾病治疗提供新的思路和途径。
孙伟告诉记者，根据打印材料、生物学性能和应用情况，3D生物打印技术可分为四个层次，而离人体越近，应用难度则越大。
第一层次是材料本身没有生物相容性，可制造个性化体外器官模型，用于手术规划、假肢设计等。比如做S型的脊柱侧弯手术，可以利用3D打印机打印一个模型，帮助医生进行术前分析等。由于此类3D打印制品不放于体内，因此也不要求国家审批。
第二层次离人体更近一步，材料的生物相容性非常好，但不降解，可制造一些医疗辅助工具，如人工假肢、植入器件，用于整形修复、关节置换等。
第三层次则需要有更高的技术含量。材料具有优良的生物相容性、生物活性，可以降解并被人体吸收，还可帮助细胞、神经等组织生长，用来制作植入人体内的组织支架、骨骼和器官等。
最接近人体的第四层次则是细胞打印，即直接通过活性细胞、蛋白或其他细胞的基质为材料来打印出仿生的细胞三维结构体，在接近人体内的三维环境里生长，用于病理研究、药物筛选、组织或器官胚体人工构建等。
孙伟课题组就运用自主开发的细胞三维打印技术，在世界上首次构建出Hela细胞（一种子宫颈癌细胞）的体外三维肿瘤模型。
在西安交通大学机械工程学院教授李涤尘看来，从第一层次到第四层次，技术重点正逐渐从对外形结构的研究转向对细胞自身行为的研究。他认为，要让打印的细胞能够存活并建立起自己的营养系统，至少得要一二十年时间才能实现。
应用研究逐步成熟
杭州电子科技大学生物制造研究所教授徐铭恩表示，做3D生物打印的原因有两点：一是生物医学领域的市场规模巨大；二是3D生物打印在医学领域应用前景巨大。
“该技术成功后，有望解决全球面临的移植组织或器官不足的难题。”徐铭恩称，中国器官移植的患者和供体的数量比是150：1，当3D打印与医学影像建模等技术结合之后，能够在人工假体、植入体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应。
孙伟告诉记者，清华大学研究人员研发的低温成型三维支架打印技术，利用低温成型的方式，可在零下三十几摄氏度状态下把不同的生物材料组合到一起，制成多孔大段人工骨的细胞载体框架。
“该工艺可能是目前唯一一个能够制造具有分级孔系结构的3D打印技术，在骨工程支架和再生植入等方面应用前景良好。”孙伟说。
与此同时，国内一些研究团队也已尝试将3D生物打印应用于临床治疗当中。北京大学第三医院骨科专家刘忠军团队在征得病人同意后，已有近40位患者植入了3D打印出的骨骼。
“也许有一天，我们可以用3D打印的技术做人造感受器官，比如眼睛、鼻子。3D生物打印技术也可以帮助脑机接口的科学家研究清楚细胞和芯片之间是怎么传输信号的，可以用大脑直接操控机器。”徐铭恩说。
前路漫漫
虽然国外研究机构在3D生物打印前沿领域所取得的突破意义重大，但要达到产业化和医疗应用，为时尚早。
目前很多从事3D生物打印研究的单位往往以研究课题为主，缺少产业下游单位对接。
西北工业大学凝固技术国家重点实验室主任黄卫东表示，国内从事3D打印技术研发的团队或企业，基本上都是在金属材料或非生物非金属材料的领域，将研究重点聚焦在3D生物打印领域上的还比较少。
“由于3D生物打印技术目前刚刚起步，各个技术组成还处于各自独立发展及研究阶段，尚未形成完整的技术链和产业链。”孙伟说，“3D生物打印第一到第三层次技术上相对成熟，但面临产业化的难题，第四层次则需要占领技术的制高点。”
而生产成本高、打印材料的欠缺、移植后机体免疫排斥等一系列技术问题，也使得3D生物打印在从定制化产品走向大规模临床应用方面，还存在着很多障碍。
另外，北京大学口腔医院主任医师唐志辉表示，由于医疗用品要经过漫长的临床应用阶段和严格的审批制度，这也在一定程度上制约了3D生物打印应用的推广。
不少业内人士呼吁，3D生物打印前景广阔，政府应出台相应的扶持政策，同时监管部门也应更新监管思路，积极应对新技术带来的生产模式的变革。
“虽然目前面临的困难很多，但是我们非常乐观，相信现在这个"小蛋糕"会变成"大蛋糕"。”徐铭恩说。
