十年前，2009年美國國家科學基金會公布了生物增材制造發(fā)展路線圖，其中預測，

2-3年，實現(xiàn)植入物，假肢，支架和細胞打印

5年，實現(xiàn)病/藥理模型打印

10年，實現(xiàn)功能組織打印

15年，實現(xiàn)器官打印

今年是2019年，10年之約如期而至。正如科學家們的預言一樣，今年是生物3D打印領(lǐng)域的全方位爆發(fā)元年。2019年，我們見證了生物3D打印首次發(fā)表Science和Nature主刊，以及上百篇SCI期刊文章；我們見證了各位科研工作者一次又一次地顛覆了我們的想象，將一個個頗為科幻的技術(shù)拉入到現(xiàn)實之中。我們完全有理由期待，未來的生物3D打印技術(shù)會與我們的想象越來越近，更早地應用在我們的醫(yī)療之中。

 

Science| “憑空”立體光刻技術(shù)

1月31日，美國加州大學伯克利分校和勞倫斯利佛摩國家實驗室的有研究者聯(lián)合在 Science 發(fā)表重磅成果，其利用一種計算軸向光刻（CAL）方法，通過多角度的曝光圖像疊加，使材料能夠從模型的內(nèi)部逐漸向外部固化，實現(xiàn)了“憑空”立體打印。

入選理由：3D打印原理家族已經(jīng)多年沒有重磅新成員了，當思想者的雕塑在旋轉(zhuǎn)的光影“憑空”產(chǎn)生時，無人不被這眼前的科幻感所震撼，同樣感慨于研究者深厚的數(shù)學功底，將這立體光刻與懸浮打印完美結(jié)合，無愧本年最佳。

Kelly, Brett E., et al. "Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction." Science 363.6431 (2019): 1075-1079.

Science|3D打印會“呼吸”的人造器官

5月3日，美國萊斯大學Jordan Miller教授與華盛頓大學Kelly Stevens教授合作發(fā)表了生物3D打印的第一篇NCS，利用高精度的光刻技術(shù)提供了復雜的血管化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，為復雜組織器官的構(gòu)建成為可能。

入選理由：打印一個大尺寸的組織結(jié)構(gòu)其實并沒有想象的那么困難，關(guān)鍵是大組織內(nèi)部的營養(yǎng)供應怎么保證？研究者不僅構(gòu)建了復雜的管道網(wǎng)絡(luò)，還實現(xiàn)了多管道系統(tǒng)的復合構(gòu)建，當打印的類肺結(jié)構(gòu)“呼吸”起來時，你難以不相信他就是一個“生命”，富有沖擊力的震撼，不愧是 Science 封面重磅。

Grigoryan, Bagrat, et al. "Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels." Science 364.6439 (2019): 458-464.

Nature| 多材料多噴頭3D打印技術(shù)

11月13日，哈佛大學Jennifer Lewis教授課題組，在 Nature 發(fā)表了使用多材料多噴嘴3D打印技術(shù)設(shè)計和制造體素化軟結(jié)構(gòu)的過程，該技術(shù)可實現(xiàn)八種不同的材料的高頻切換，構(gòu)建了折紙圖案，機器人，復雜多材料立方體等眾多復雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其一體化高速打印的多材料機器人后續(xù)還可實現(xiàn)機器運動，令人耳目一新。

入選理由：高粘度多材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高速打印一直是3D打印有待解決的瓶頸問題，體素化的構(gòu)建思想也會為未來3D打印的應用指明方向。拆除思維的墻，才能極大的發(fā)揮3D打印的強大力量。

Skylar-Scott, Mark A., et al. "Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing." Nature 575.7782 (2019): 330-335.

Science| 3D打印膠原心臟

卡耐基梅隆大學Adam W. Feinberg教授團隊在 Science 發(fā)表“3D bioprinting of collagen torebuild components of the human heart”，該研究利用懸浮膠（FRESH）作為打印支撐體（Supporting Bath），高精度的打印了心臟瓣膜及心臟等復雜結(jié)構(gòu)。該研究打印的心室具有同步收縮（不再是一個補片），定向動作電位傳播，以及收縮期間心室壁增厚達14%等功能。

入選理由：如此精細復雜的膠原打印結(jié)構(gòu)，目前恐怕只有懸浮打印才能做到，2019年懸浮打印異軍突起，為血管化構(gòu)建復雜組織器官結(jié)構(gòu)貢獻巨大力量。此外，膠原結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)如此力學強度，也可見研究者的深厚積累，交叉學科的重要成果絕不是單一因素決定，此篇成果讓我們看到了3D打印復雜器官的希望。

Lee, A., et al. "3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart." Science 365.6452 (2019): 482-487.

Nature Medicine| 3D打印脊髓修復支架

2019年，美國加州大學圣地亞哥分校Chen Shaochen 教授課題組和Tuszynski課題組合作采用微尺度連續(xù)投影光刻法(μCPP) 3D打印了高精度的脊髓修復支架。種植神經(jīng)祖細胞(NPC)的脊髓支架在脊髓損傷模型內(nèi)可以支持軸突再生，幫助損傷脊髓再生修復。

入選理由：再酷炫的生物3D打印技術(shù)如果不能被應用也只是多彩的泡沫，研究者構(gòu)建了如此精巧的模型，并取得了全髓修復在老鼠身上的良好效果，未來應用可期，值得關(guān)注。

Koffler, Jacob, et al. "Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair." Nature medicine 25.2 (2019): 263.

Science Advances|高細胞密度血管化組織的3D打印構(gòu)建

哈佛大學的Jennifer Lewis教授團隊在9月份的 Science Advances 上發(fā)表文章《Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellulardensity and embedded vascular channels》。該研究開發(fā)出一種全新的生物3D打印方式：功能性組織中直接打印犧牲材料（SWIFT）。使用細胞聚集體所形成的高細胞密度的組織作為支撐材料，將犧牲材料打印進去用于制造血管網(wǎng)絡(luò)。

入選理由：懸浮打印方式的又一名作，哪里是支撐？哪里是犧牲？哪里是組織？哪里是血管？3D打印的理想能力就是實現(xiàn)三維空間多種材料的自由組合，但工藝和材料特性給我們限制太多，讓我們不夠自由，懸浮打印就是讓我們重拾自由的一個方法。

Skylar-Scott, Mark A., et al. "Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellular density and embedded vascular channels." Science advances 5.9 (2019): eaaw2459.

Science| 大尺寸高速光固化技術(shù)

10月18日，Science 發(fā)表美國西北大學關(guān)于一種大面積快速打印技術(shù)（high-area rapid printing，HARP）的最新成果，可以高速在幾個小時內(nèi)打出成人大小的結(jié)構(gòu)。

入選理由：3D打印的速度慢一直被詬病，2015年Carbon CLIP高速3D打印技術(shù)的誕生令人耳目一新，但高速聚合的大量放熱問題限制了其更高速的應用。今年高速3D打印技術(shù)再一次被突破，離不開研究者對該技術(shù)痛點的深刻理解與創(chuàng)新性解決。隨著高速打印的一次次突破，相信未來手術(shù)室里現(xiàn)場打印器件的一天會越來越近。

Walker, David A., James L. Hedrick, and Chad A. Mirkin. "Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface." Science 366.6463 (2019): 360-364.

Nature Biomedical Engineering|3D打印病人的膠質(zhì)瘤芯片用于病人的放化療效檢驗

2019年03月18日，韓國科學家Dong Woo Cho教授團隊用多噴頭3D打印技術(shù)，構(gòu)建了一個高度仿真的梯度厭氧膠質(zhì)瘤模型，并且用該模型培養(yǎng)腫瘤患者的細胞，化療的效果與患者實際化療效果一致。

入選理由：細胞/組織打印已將生物3D打印的應用推動到了體外高度仿生組織模型構(gòu)建的新高度，多噴頭細胞3D打印技術(shù)更是為復雜的人體病理模型構(gòu)建成為可能，研究者基于病人細胞打印的高度仿真的梯度厭氧膠質(zhì)瘤模型，并取得了準確的預測效果，為未來生物3D打印在個性化病人用藥指導方面的應用提供了又一佐證。

Yi, Hee-Gyeong, et al. "A bioprinted human-glioblastoma-on-a-chip for the identification of patient-specific responses to chemoradiotherapy." Nat. Biomed. Eng 1.1 (2019).

Nature Methods| 微流控促進腎organoids的血管化和成熟

哈佛大學Wyss研究所報道了一種在3D打印的微流控芯片內(nèi)培養(yǎng)腎臟類器官的方法，該方法可擴大內(nèi)皮祖細胞的內(nèi)源池并產(chǎn)生具有被壁細胞包圍的可灌注腔。和靜態(tài)培養(yǎng)相比，研究者發(fā)現(xiàn)在微流體流動條件下培養(yǎng)的血管化腎臟類器官具有增強的細胞極性和人基因表達的成熟足細胞和腎小管區(qū)室。在體外微流條件下誘導腎類器官實質(zhì)性血管生成和形態(tài)成熟的能力為研究腎臟發(fā)育，疾病和再生開辟了新途徑。

入選理由：Organoids 應該是2019年最火的體外模型研究詞，3D打印與其不是互斥的，兩者的結(jié)合可以不僅是直接打印organoids，也可以打印其培養(yǎng)所需的工具。3D打印微流控芯片，3D打印力學結(jié)構(gòu)件等3D打印輔助器件都將成為未來3D打印助力生命科學研究不可或缺的手段。

Homan, Kimberly A., et al. "Flow-enhanced vascularization and maturation of kidney organoids in vitro." Nature methods 16.3 (2019): 255.

PNAS|多材料4D打印可形變晶格結(jié)構(gòu)

哈佛Wyss研究所開發(fā)出可變交聯(lián)強度及各向異性的墨水，該墨水具有可控的彈性模量及熱膨脹系數(shù)，再通過合理的幾何學設(shè)計及4噴頭的復合多材料打印技術(shù)，打印出“神奇”的形狀可變結(jié)構(gòu)，未來可應用在軟電子開發(fā)，智能織物，組織工程和機器人等領(lǐng)域中。

入選理由：4D打印技術(shù)實現(xiàn)了對復雜結(jié)構(gòu)的“降維”制造，多噴頭技術(shù)的使用，賦予了結(jié)構(gòu)更多各項異性的可能，使得更為復雜的結(jié)構(gòu)制造成為現(xiàn)實。多噴頭打印技術(shù)的應用才是剛剛起步，解放思想才有更大突破。

Boley, J. William, et al. "Shape-shifting structured lattices via multimaterial 4D printing." Proceedings of the National Academy of Sciences 116.42 (2019): 20856-20862.

 

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上普于今年發(fā)布桌面級生物3D打印機BioMaker。僅一臺微波爐大小，但功能強大，搭載多種打印噴頭，沒有打不出，只有你想不到。有了這款打印神器在手，再加上一個絕妙的研究方向，不愁發(fā)不了高分文章~這一篇文章幫你了解BioMaker

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圖文來源：上普生物