近些年来，3D打印技术的发展不光局限于航天航空、汽车等制造业。其在于人类生活息息相关的生物医疗科技领域也快速进步，与仿生技术、组织工程学、生命科技紧密结合，在医疗行业大放光彩！

     康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪·利普森提出了一个“3D打印生命阶梯”的概念，生动地展现了3D打印技术在医疗领域的发展蓝图。

     “3D打印生命阶梯”的底层为无需留在体内的医疗器械，包括医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢等；中层是”简单的活性组织如骨骼与软骨”，即个性化永久植入物，使用钛合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通过3D打印骨骼、软骨、关节、牙齿等产品，通过手术植入人体；再往上是静脉和皮肤；靠近阶梯顶层的是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑。最后，生命阶梯的顶层将是完整的生命单位——也许有一天将会是具备完整功能的人造生命形式。

      2010年6月，由美国Organovo公司研制的、“按需打印”患者所需的人体活器官的机器，被称为生物3D打印机（3D bio-printer；3D biology printer ）。该项技术被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

  　3D生物打印模式图

      根据“分层制造，逐层叠加”的原理，生物3D打印机根据计算辅助设计的三维模拟“蓝图”，以生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料和活细胞（及其相关细胞因子）作为“生物墨水”，在生物相容性的支架材料上逐层添加打印材料，直至打印完成。

       随后，自然生成的细胞开始重新组织、融合，形成一个功能协调的有机整体。据最新研究报道，Organovo公司利用生物3D打印技术，成功打印出人体肝脏，并在离体培养条件下存活40天！

细胞3D打印过程

一定程度上，可以说生物3D打印技术真正的魅力，并不是技术本身，而在于技术所涉及的方方面面的生物打印材料。3D打印技术采用不同的“油墨”材料可以生产出各种人造器官和组织，能满足临床患者个体要求。金属、树脂、石膏、陶瓷、高分子、生物大分子等均被创造性地应用于3D打印以生产生物制品。

下面，我们将就生物3D打印中几种常用的材料进行具体介绍。

1.水凝胶

由于水凝胶与天然软组织细胞外基质在结构、组成和力学性质上的相似性，目前的细胞和组织打印技术主要是基于携带细胞的水凝胶的3D 沉积技术。

水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络。由于水凝胶具有良好的生物相容性，以及与人体软组织相似的力学性质，因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中。

目前，传统的水凝胶制备方法主要是通过高分子链间的化学反应或物理相互作用，难以实现对水凝胶外部和内部结构的精确调控。而3D打印技术则能实现对材料外部形态和内部微结构的精确调控，有利于调控细胞的分布，以及材料与生物体的匹配，因此具有独特的优势。

康奈尔大学的Butcher以PEG-DA / 藻酸盐复合原料制备了主动脉瓣水凝胶支架， 该水凝胶的弹性模量可变。制备较大的瓣膜可获得更高的精确度。种植于水凝胶支架上的猪主动脉瓣间质细胞在培养21 天后具有接近100%的存活率。

3D打印的DNA水凝胶材料

对于3D打印成型的携带细胞水凝胶支架的基本要求包括：

( 1 ) 水凝胶在工作台沉积后能快速原位成型，并维持初始沉积的形状；

( 2）保持细胞活性和功能；

( 3 ) 打印成型的支架容易进行后处理。

随着3D打印技术应用于生物医用材料的兴起，科研工作者对水凝胶的研究也取得了诸多进展。如Gauvin以甲基丙烯酸酯修饰的明胶为原料，制备了可作为个性化组织工程支架材料使用的水凝胶，并进行了体外细胞培养实验研究。