提到生物3D打印機(jī)，我們最先想到的應(yīng)用就是3D打印人工組織或人工器官。大多數(shù)生物3D打印機(jī)的工作原理是利用壓力將生物墨水從墨盒中擠出，并通過(guò)注射器式的針頭將材料沉積下來(lái)。

在材料技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，生物墨水的種類(lèi)不局限于含有細(xì)胞的水凝膠，還可以是含有陶瓷、金屬、石墨烯等材料的墨水。有了這些材料，生物3D打印機(jī)的應(yīng)用范圍被拓展至工程、電子等領(lǐng)域。美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)和工程系的Shah TEAM實(shí)驗(yàn)室正是通過(guò)這些多樣化的生物墨水，將生物3D打印機(jī)”玩“出了新花樣。

致力于組織工程和增材制造的材料團(tuán)隊(duì)

Shah TEAM 實(shí)驗(yàn)室的全稱是Shah Tissue Engineering and Addictive Manufacturing (TEAM)Lab。實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)注于為組織工程和增材制造領(lǐng)域開(kāi)發(fā)3D打印油墨新材料。除了材料研發(fā)，實(shí)驗(yàn)室還從事表征、功能測(cè)試和優(yōu)化3D打印結(jié)構(gòu)的工作。

負(fù)責(zé)人 Ramille Shah 教授的專(zhuān)業(yè)方向是材料科學(xué)與工程。最初接觸生物3D打印是2011年，那時(shí)她正在準(zhǔn)備一門(mén)組織工程學(xué)的課程-制造支架的新技術(shù)，為此她決定用自己的學(xué)術(shù)項(xiàng)目基金采購(gòu)一臺(tái)EnvisionTec 3D-Bioplotter 生物3D打印機(jī)。在此后的工作中，Shah教授的的團(tuán)隊(duì)針對(duì)這臺(tái)打印機(jī)開(kāi)發(fā)可用的生物打印墨水。

3D-Bioplotter 最主要的應(yīng)用是打印骨組織再生支架、軟組織、藥物緩釋和器官打印。3D-Bioplotter 生物3D打印機(jī)也是基于注射擠出式的工作原理，目前第四代打印機(jī)可同時(shí)打印5種不同的材料，打印機(jī)中的自動(dòng)化裝置可在打印中自動(dòng)更換打印墨盒，進(jìn)行溫度控制和針頭的清洗。

基于3D-Bioplotter 打印機(jī),Shah TEAM 實(shí)驗(yàn)室主要開(kāi)發(fā)兩種類(lèi)型的材料：一種是用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)的水凝膠材料，另一種是顆粒懸浮狀的油墨。顆粒懸浮狀油墨最初也是為了組織工程學(xué)的應(yīng)用而研發(fā)的，此后實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)混入金屬、石墨烯顆粒，顆粒懸浮狀油墨和生物3D打印機(jī)的應(yīng)用可以拓展至更廣泛的領(lǐng)域。

促進(jìn)骨骼再生的顆粒懸浮狀油墨

Shah TEAM 實(shí)驗(yàn)室最初開(kāi)發(fā)的顆粒懸浮狀油墨是在聚合物溶劑中混入功能性的羥基磷灰石，該成分是骨骼中重要的礦物成分。使用這種油墨可打印出骨骼修復(fù)支架，在經(jīng)過(guò)清洗、消毒之后可直接進(jìn)行手術(shù)植入，在植入體內(nèi)后體內(nèi)的骨細(xì)胞會(huì)逐漸在支架中生長(zhǎng)，逐漸形成新的骨骼組織，聚合物材料將在體內(nèi)被降解吸收，而在3D打印聚合物支架上生長(zhǎng)出來(lái)的骨頭將與周邊組織融為一體。

Shah TEAM 實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們研發(fā)的油墨材料載荷水平高，通過(guò)調(diào)整顆粒的比例，可以改變幽默中的顆粒密度和孔隙率，當(dāng)羥基磷灰石顆粒帶到高密度時(shí)將為骨細(xì)胞提供一個(gè)適合成長(zhǎng)的環(huán)境，以便于逐漸形成新的骨組織。另一方面，材料的孔隙讓體內(nèi)的骨組織和血管在支架植入物上生長(zhǎng)。

從組織到器官

Shah TEAM實(shí)驗(yàn)室還參與了一些3D打印復(fù)雜人體組織的研究項(xiàng)目，如生物3D打印人工卵巢。在進(jìn)行卵巢再生時(shí)，首先需要3D打印出一個(gè)凝膠支架，然后將卵泡細(xì)胞”播種“在上面逐漸培養(yǎng)出卵巢。

目前這種人工卵巢在小鼠身上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)，下一步項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以獲得更準(zhǔn)確的科研數(shù)據(jù)，當(dāng)條件成熟的情況下將進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。該成果走向臨床應(yīng)用仍需多年時(shí)間。Shah教授認(rèn)為，相比之下羥基磷灰石3D打印人工骨將較早進(jìn)入臨床應(yīng)用，這個(gè)過(guò)程大約5-10年。

從骨骼到金屬和石墨烯

除了組織工程和再生醫(yī)學(xué)這個(gè)老本行之外，Shah TEAM實(shí)驗(yàn)室還將生物墨水和生物3D打印機(jī)的應(yīng)用拓展到了金屬和石墨烯領(lǐng)域，他們陸續(xù)開(kāi)發(fā)了含有鐵氧化物、鎳等金屬成分的顆粒懸浮狀油墨。這些金屬3D打印的零部件與骨骼修復(fù)支架類(lèi)似，零件中的聚合物材料最終也會(huì)消失掉，所不同的是，在打印完成之后金屬打印對(duì)象中的聚合物成分并不是自然降解，而是通過(guò)高溫?zé)Y(jié)的方式進(jìn)行“降解”，從而留下一個(gè)致密的金屬零部件。

圖片來(lái)源：Shah TEAM Lab

Shah TEAM實(shí)驗(yàn)室使用這些材料和生物3D打印機(jī)，可在相對(duì)較低的成本和快速的情況下打印出均勻的金屬零部件。通過(guò)改變燒結(jié)爐的溫度或油墨的成分，Shah的團(tuán)隊(duì)可以提升金屬零部件的品質(zhì)，并進(jìn)一步擴(kuò)展材料的應(yīng)用和功能。