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《生物医用材料及类器官3D打印》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。《生物医用材料及类器官3D打印》聚焦以生物医用材料及类器官等为主要加工对象的生物3D打印成型制造系列技术，在成型材料、成型工艺、成型装备等多个方面进行了详细论述，并结合临床及转化的需求，对生物医用材料及类器官3D打印的临床应用和监管科学也进行了讨论，*后对该领域未来发展进行了前瞻性展望。
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目录总序前言第1章 绪论 11.1 生物医用材料3D打印技术概述 11.1.1 生物医用材料3D打印技术内涵及进展 11.1.2 生物医用材料3D打印技术特点 81.2 类器官3D打印技术 141.2.1 类器官技术的起源与发展 141.2.2 类器官技术的作用及发展前景 161.2.3 类器官技术面临的难题 171.2.4 类器官3D打印技术发展概述 191.2.5 类器官3D打印技术概述 201.2.6 类器官3D打印技术的应用 231.2.7 类器官3D打印技术应用前景 24参考文献 25第2章 用于3D打印的生物医用材料 282.1 生物医用高分子材料3D打印 282.1.1 高分子材料3D打印技术 282.1.2 用于3D打印的生物医用高分子材料 312.1.3 3D打印生物医用高分子材料的应用 492.1.4 小结 512.2 生物医用陶瓷材料3D打印 512.2.1 引言 512.2.2 磷酸钙陶瓷 522.2.3 生物活性玻璃 572.2.4 其他生物陶瓷 592.3 生物医用金属材料3D打印 642.3.1 可降解医用金属 642.3.2 不可降解医用金属 772.3.3 发展趋势与未来展望 952.4 生物医用复合材料3D打印 972.4.1 引言 972.4.2 天然高分子基复合材料 982.4.3 人工合成高分子基复合材料 103参考文献 118第3章 活性生物医用材料3D打印技术基本知识及主流方法 1373.1 生物墨水及生物基质 1373.1.1 生物墨水的定义 1373.1.2 细胞-水凝胶生物墨水 1393.1.3 纯细胞生物墨水 1413.1.4 其他生物墨水 1433.2 生物医用材料3D打印工艺及核心装备 1443.2.1 引言 1443.2.2 生物3D打印工艺 1453.2.3 生物3D打印商用设备 1503.3 原位打印技术等特殊生物3D打印技术 1523.3.1 引言 1523.3.2 原位打印的执行方式 1533.3.3 原位打印技术的应用 1543.3.4 原位打印技术的展望 161参考文献 162第4章 生物医用材料3D打印临床应用与转化 1664.1 3D打印在体外模型和康复器械中的应用 1664.1.1 3D打印在体外模型中的应用 1664.1.2 3D打印在康复器械中的应用 1704.2 3D打印在植入医疗器械中的应用 1714.2.1 骨科植入物 1714.2.2 牙科植入物 1764.2.3 其他部分的植入物 1784.2.4 未来展望：打印植入功能组织 1804.3 3D打印在组织工程支架中的应用 1814.3.1 引言 1814.3.2 基于3D打印支架的组织工程构建方法与流程 1814.3.3 理想组织工程支架特性 1824.3.4 3D打印支架在各系统组织工程的应用 1844.3.5 总结与展望 1884.4 生物3D打印在肿瘤模型中的应用 1884.4.1 引言 1884.4.2 生物3D打印技术 1904.4.3 生物墨水 1934.4.4 生物3D打印肿瘤模型 1994.4.5 生物3D打印肿瘤模型应用研究 2084.4.6 挑战与展望 214参考文献 214第5章 生物3D打印医疗器械监管 2355.1 生物3D打印医疗器械监管概述 2355.1.1 生物3D打印医疗器械相关法规及临床评价 2355.1.2 生物3D打印医疗器械质量管理体系特殊要求 2375.2 生物3D打印医疗器械相关法规及政策 2415.2.1 生物3D打印医疗器械注册审查指导原则体系介绍 2415.2.2 生物3D打印医疗器械医工交互的质量控制 2505.2.3 生物3D打印医疗器械等效性模型与质量均一性 2555.2.4 生物3D打印医疗器械标准体系介绍 2645.3 生物3D打印医疗器械相关监管科学发展 2725.3.1 国际生物3D打印的监管要求动向 2725.3.2 我国生物3D打印医疗器械监管科学研究概述 280参考文献 282第6章 类器官3D打印实践及前景展望 2876.1 细胞3D打印技术 2876.1.1 单细胞打印技术 2876.1.2 多细胞打印技术 2926.2 类器官3D打印技术 2956.2.1 类器官微结构单元打印 2956.2.2 类器官3D结构打印 2996.3 类器官3D打印应用 3106.3.1 面向精准医疗的疾病模型构建 3106.3.2 面向器官机理的发育模型构建 3156.3.3 面向再生修复的干细胞制剂构建 3176.3.4 类器官在构建仿生活体机器人中的应用 3256.4 类器官3D打印的未来发展方向 3266.4.1 类器官3D打印自动化 3266.4.2 类器官3D打印标准化 3286.4.3 类器官多模态信息化获取 3326.4.4 3D打印功能化类器官 3336.4.5 大尺寸类器官的3D打印 335参考文献 338第7章 生物医用材料及类器官3D打印技术未来 3417.1 生物3D打印与干细胞治疗融合发展趋势 3417.1.1 生物3D打印与干细胞治疗概述 3417.1.2 生物3D打印与常规细胞治疗的融合研究 3427.1.3 生物3D打印与干细胞的组织工程 3457.1.4 生物3D打印与功能化干细胞的融合研究 3487.1.5 总结与讨论 3507.2 生物3D打印与机器人融合发展趋势 3517.2.1 机器人的定义 3517.2.2 现有生物3D打印中常见的自动化设备 3527.2.3 生物3D打印和六轴机械臂的融合研究 3547.2.4 生物3D打印和微创手术机器人的融合研究 3557.2.5 生物3D打印和软体机器人的融合研究 3587.2.6 生物3D打印与生物融合机器人 3597.3 生物3D打印与人工智能融合发展趋势 3617.3.1 引言 3617.3.2 打印前阶段 3627.3.3 打印中阶段 3667.3.4 总结 3707.4 4D生物打印及5D生物打印 3707.4.1 4D生物打印 3707.4.2 5D生物打印 372参考文献 373关键词索引 379
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第1章 绪论 1.1 生物医用材料3D打印技术概述 1.1.1 生物医用材料3D打印技术内涵及进展 1.生物医用材料3D打印技术内涵 3D打印技术又称为“快速成型（rapid prototyping）技术”或“增材制造（additive manufacturing，AM）技术”，是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术，主要是以数字模型文件为基础，根据零件或物体的三维模型数据，通过成形设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，在高精度、个性化制造及复杂形状构建等方面具有*特优势。经过30余年的高速发展，3D打印技术已在生物医疗、航天、汽车和食品等多个领域实现广泛应用。生物医用材料是诊断、治疗、修复或替换人体组织、器官或增进其功能的一类新材料。 生物医用材料3D打印体现在三个层次：一是制造体外无生物相容性材料，应用于医疗模型以及手术导板等；二是制造有生物相容性的纯材料植入物（包括可降解及不可降解两种类型），如个体化永久植入物及可降解组织工程支架等；三是操纵活细胞和生物医用材料构建可移植仿生三维组织，目前已实现在人体内移植皮肤、尿道、软管、膀胱、肌肉和阴道等人造器官和组织，生物相容性良好。生物医用材料3D打印技术的发展及应用正积极促进组织器官损伤修复朝着三个方向发展：①从单纯形态上的模拟过渡到组织再生和功能恢复；②从大创面修复过渡到微创精细修复甚至无损治疗模式；③从群体性治疗过渡到个性化治疗及针对性修复。生物医用材料3D打印从“非活体”打印到“活体”打印的转变，将进一步推动医疗行业个性化、精准化、仿生化的跨越式发展，对提高国民健康水平具有重大意义。 2.生物医用材料3D打印技术发展历史 生物医用材料3D打印的发展，一方面依赖于3D打印原材料的性能提升和新材料的开发应用；另一方面依靠生物3D打印工艺/装备的改进升级。两者相互影响、交替发展，无论是原材料还是工艺/装备的发展都将促进整体产业的进步。下文将从生物医用材料3D打印原材料、工艺/装备及应用进展三个维度介绍生物医用材料3D打印研究进展及前沿动态。 1）生物医用材料3D打印原材料研究进展 用于3D打印生物医用材料的原材料体系（原材料）需具备良好的生物相容性、可降解性以及形态学上与体内组织相似等特性，可分为不含活性成分体系和含活性成分体系。其中，不含活性成分体系以人体疾病诊断和治疗等重要临床需求为出发点和应用终点，种类覆盖金属材料、无机非金属材料（陶瓷）以及高分子材料（合成和天然），与人体组织生物相容，且具有良好的可打印性，主要应用于制备各类组织修复产品。含活性成分体系则在不含活性成分体系基础上，为进一步提升诊疗效果，引入细胞等活性单元，构建跨维度、跨模态、跨功能的复合材料体系，当前主要应用于制备体外肿瘤模型、微组织等。这类特殊材料体系，除了需要满足物理及化学等常规材料性能要求外，还需解决生物学性能、活性/非活性界面融合、功能表征等一系列非常规问题。 在金属原材料方面，用于3D打印的原材料主要包括钛（Ti）、钴（Co）、镁（Mg）基金属生物材料。钛基金属生物材料具备优异的生物相容性、抗疲劳性、耐腐蚀性和高比强度，是应用*广泛的植入物打印材料之一。2007年，意大利Adler Ortho和Lima股份有限公司开发的基于钛材料生物3D打印髋臼杯通过了CE认证，并实现产业化应用。钴基金属生物材料强度较高且耐磨，在医疗领域主要用于制备承重植入物、牙科植入物以及整形外科重建手术中的辅助工具等。镁合金作为*轻的金属结构材料，因其优越的生物相容性、可降解性以及接近人体骨骼的弹性模量，在骨科材料应用方面潜力巨大，但其研究起步较晚，目前可打印材料种类还较少。在未来，提升金属基材料的可打印性，改善其制造特性和产品性能，实现“材料-结构-性能”的一体化设计和制造将成为金属材料生物3D打印未来的研究重点。 在无机非金属原材料方面，应用较多的主要为生物陶瓷材料，如磷酸钙（CaP）和生物活性玻璃（BG），其具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，可利用3D打印技术制造牙齿和骨骼植入物。该类材料在3D打印应用中的历史相对较短，限制其应用的主要原因在于加工比较困难，未来还需围绕3D打印工艺进行材料探索，促进其产业化应用。 在高分子材料方面，用于3D打印的原材料主要包括天然高分子材料和人工合成高分子材料，天然高分子材料主要包含明胶、透明质酸、硫酸软骨素、葡聚糖、海藻酸、壳聚糖、肝素等，人工合成高分子材料则主要包括聚乳酸、聚乙丙交酯、聚己内酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚醚酮、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物等。以上多种原材料具有优异的加工性能，通过3D打印技术已成功构建出骨植入物等多款满足医疗需求的生物医用材料并实现临床应用。但是我国在高分子原材料方面研发水平仍然较低，相当比例仍依赖进口，还需进一步提升高性能、高纯度的医用级3D打印高分子原材料的研发生产能力，以满足生物医用材料3D打印需求。 可引入活细胞打印的复合材料体系，目前该类材料仍相对匮乏，是生物3D打印原材料的前沿研究方向。国内外各研发团队根据打印产品功能化与打印工艺的匹配需求等，攻关传统生物墨水不稳定、生物活性差等应用瓶颈，开展材料的功能化改进等技术研究，致力于开发更多具有特殊性能的新型生物墨水，不断扩充可打印生物墨水库，近年来取得了一系列进展。宾夕法尼亚大学研究人员成功开发了一种可用于细胞打印、异质打印、二次交联的微凝胶生物墨水[1]（包括NorHA、PEGDA、琼脂糖流变生物墨水）；瑞典隆德大学瓦伦堡分子医学中心研究团队制备了一种由天然聚合物海藻酸盐和脱细胞细胞外基质（dECM）组成的复合生物墨水[2]，其可用于打印人类呼吸道上皮祖细胞和平滑肌细胞组成的气管空腔结构；中国科学院高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室与北京积水潭医院合作，突破传统海藻酸盐基-钙离子墨水体系不稳定、生物活性差等瓶颈，开发了海藻酸盐/聚赖氨酸基新型聚电解质生物墨水[3]；清华大学研究团队构建了一种加入透明质酸衍生物与海藻酸钠的特殊纳米黏土复合双网络水凝胶，形成一种具有自愈合、自支持特性的生物墨水[4]。在生物墨水原材料上的研究有望拓展3D打印技术的应用领域，进一步促进3D打印生物医用材料产业快速进步。 2）生物医用材料3D打印工艺/装备研究进展 自2000年左右美国克莱姆森大学Thomas Boland教授提出生物3D打印概念以来，生物医用材料3D打印获得了全球众多研究机构的高度关注及各国政府的重视与支持，目前全球已有超过300家专门从事生物医用材料3D打印工艺/装备研究和开发的研究机构和公司。国际上主要有美国维克森林（Wake Forest）大学再生医学研究所、美国普林斯顿大学、哈佛大学Wyss研究所、新加坡国立大学等高校/研究机构，以及美国Organovo公司、德国Envision TEC公司、日本Cyfuse Biomedical公司、瑞典Cellink公司等企业；国内则有清华大学、浙江大学、西安交通大学、杭州电子科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院等高校/研究所及广州迈普再生医学科技股份有限公司、杭州捷诺飞生物科技股份有限公司等企业。当前主流的生物医用材料3D打印工艺主要包括挤出式生物打印、喷墨式生物打印、激光辅助生物打印、光固化打印等。为了进一步提升生物3D打印精度、生物医用材料性能及细胞存活率，扩展生物医用材料3D打印技术应用的可能性，各国科研机构与企业不断探索工艺和装备创新，涌现出原位打印、体内制造和复合制造等一批新工艺，同时开发出打印方式、打印精度、打印功能取得突破的一系列3D打印装备。 国际上，在挤出式生物打印工艺和装备方面，2018年，韩国成均馆大学开发了一种新型细胞打印工艺，辅以微流体通道、核/壳喷嘴和低温处理，以获得载有细胞的3D多孔胶原支架，利用此工艺开发的3D多孔生物医学支架在冷冻保存2周后，支架中的细胞（成骨细胞样细胞或人脂肪干细胞）显示出良好的活力（超过90%），在组织工程应用方面具有巨大潜力[5]。2019年，瑞典Cellink公司宣布推出BIO X6，该装备负载新型的六打印头生物3D打印系统，可在六个不同的位置同时使用不同的压力、温度和打印方法。2020年，荷兰3D打印机制造商FELIXprinters发布了新型生物3D打印机FELIX BIOprinter，该设备搭载了强劲的电机，能够稳定挤出多种不同黏度的材料，可适用于所有类型的生物3D打印研究，其可以分配黏度高达64000 cP（1cP=10-3Pa？s）（动力黏度单位）的各种黏性材料，具有从液体到糊剂材料和生物墨水的挤出能力。 在喷墨式生物打印工艺和装备层面，2019年，Wake Forest大学再生医学研究所Albanna等[6]利用喷墨式原位打印工艺，采用纤维蛋白原/胶原+自体角化细胞/成纤维细胞进行伤口修复，研究结果显示伤口闭合提前3周，伤口收缩减少50%，再上皮化加速4～5周。该研究对于广大患者的急性或慢性伤口的早期治疗和快速闭合、促进伤势正常愈合至关重要。 在光固化打印工艺和装备方面，美国3D Systems公司于1988年推出**台商业化应用的立体光刻设备SLA-1。2018年，哈佛医学院研究人员开发出一种基于立体光刻的生物打印平台，用于多材料制造异质水凝胶构造。该新型微流体装置能够在不同（负载细胞的）水凝胶生物炭之间快速切换，实现了逐层多材料生物打印[7]。 在其他创新打印工艺/装备研究方面，2019年，哈佛大学的Jennifer Lewis教授团队开发出一种全新的生物3D打印方法：功能性组织中直接打印牺牲材料（SWIFT）工艺，采用器官构建块（OBB）作为打印基底，OBB是由患者特异性诱导的多能干细胞衍生的类器官，提供人工组织必需的细胞密度、微架构和功能，同时使用其*创的SWIFT打印技术在其中打印用于形成复杂血管通道的牺牲材料。后续通过温度变化，洗脱牺牲材料，在组织中形成血管通道[8]。2020年，荷兰乌得勒支大学团队采用熔融静电直写和挤出式生物打印的复合制造技术完成了骨/软骨多层结构的打印，成功构建软硬组织交接的界面，并且骨、软骨和交界处的机械性能均可调控以实现更好的仿生[9]。 在国内，在国家产业发展政策的支持下，国内多所高校、科研院所及多家企业近年来通过开展集成化和复合工艺技术研究，研制新型生物3D打印工艺与装备，解决了复杂异质结构打印及打印高通量、高精度等技术难题，在部分方向取得重点突破。 在挤出式生物打印工艺与装备方面，2016年，上海大学快速制造工程中心主任胡庆夕教授的团队开发出生物CAD/CAM/3D打印综合成形集成系统，解决生物建模与综合成形的集成技术问题，实现了挤出和静电纺丝单一或综合工艺成形，满足宏、微、宏-微观的复合支架制备。2018年，在863计划支持下，西安交通大学研制出的软组织缺损扫描与原位打印系统，在动物活体原位打印研究中显示出良好的修复效果，促进了国内该领域的研究。浙江大学贺永教授课题组发明了一种气流辅助异质螺旋微球类器官的成形工艺，*次实现了在微球内构造出复杂的活性结构。该方法精度可达到单细胞分辨率，为类器官的高效及精准构建提供新思路，相关工作刊登在Small杂志上并被选为封底论文[10]。 企业层面也陆续推出了商业化的生物3D打印机，为生物打印提供工具支撑。杭州捷诺飞生物科技股份有限公司依托国家重点研发计划生物3D打印重点专项，研发出集成化生物3D打印机“Bio-architect？X”（图1-1）。广州迈普再生医学科技股份有限公司开发出系列满足科研、临床等不同应用场景的生物3D打印机（图1-1），可用于体外组织模型或活体组织构建等，大幅提升了打印精度、复合工艺成形能力及打印细胞成活率等技术性能。上普博源（北京）生物科技有限公司开发了全球*小的商业化多喷头细胞3D打印机CPD1及全球唯
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