在多学科的融合之下，精准医疗正在到来。作为对精准医疗领域做出直接贡献的重要角色，分子遗传学和生物细胞学在 3D 生物打印方面也发挥着重要作用。在 3D 生物打印中，分子遗传学和细胞生物学与机械工程技术结合，可以精准打印出器官模型，用来加速药物开发、检测药物疗效以及作为可植入的组织或器官等。全球首家微流控 + 3D 生物打印公司“相比结构，我们更注重功能。”Aspect Biosystems（下称 “Aspect”）创始人兼首席执行官 Tamer Mohamed 说，“我们不一定要创造出和人体内组织（器官）相似的结构。”Aspect Biosystems 是加拿大一家 3D 生物打印公司，采用微流控技术（一种精确控制和操控微尺度流体的技术）进行生物打印，于 2013 年从不列颠哥伦比亚大学独立出来。“使用微流控技术进行 3D 打印灵活性极高，”Mohamed 举例说，采用微流控技术可以将所有颜色组合起来，通过工程设计技术，实现生物打印。为了将丰富的颜色应用到生物打印中，设备的微流控打印头采用集成的阀门系统，可以精确控制不同颜色或材料的出料顺序。
图 | Aspect Biosystems 的 RX1™生物打印机（来源：官网）除了精确构建人体器官模型，Aspect 生物打印的模型也具有特定的功效。该公司正在开发一种可实现胰岛 B 细胞功能的植入物，以检测 I 型糖尿病患者的葡萄糖指标，并产生胰岛素。这种植入物由胰腺细胞 3D 打印而成，外面会包裹一个保护层，使其隐藏于异源细胞之中。这种保护层必须由非免疫原性材料构成，并且需要具有足够的强韧性以在患者体内留存数年。为了制造胰腺细胞，Aspect 已经与英属哥伦比亚大学细胞学与生理科学教授 Timothy Kieffer 博士达成合作，Kieffer 博士开发的用干细胞分化成胰岛 B 细胞的有效方案将用于 Aspect 的 3D 打印之中。人类多能干细胞具有分化为不同类型的功能细胞的能力，但这同时也存在着癌变的风险。因此，Aspect 生物打印机会把所有需要的材料（细胞）分开放置，确保 “在出现任何差错的时候，轻松移除细胞”，阻断反应。Mohamed 断言，“我们是全球第一个、也是唯一一个将微流控技术与 3D 打印结合用于生物打印的团队。”“打印器官”：用器官芯片检测药效体外 “打印器官” 是 3D 打印提高精准医疗水平的另一种方式。瑞士生物打印公司 RegenHU 正在研发器官芯片，并用器官芯片来测试风湿性关节炎药物的疗效。该公司已经加入由欧盟资助的新药测试项目 ——FLAMIN-GO。其器官芯片可以涵盖关节环境中滑膜细胞、白细胞、血管、软骨、骨骼等很多不同因素之间的相互作用，“可以把患者自身细胞放到器官芯片中测试，找出最适合患者的药物，”RegenHU 首席执行官 Simon MacKenzie 博士表示。RegenHU 正在为该项目定制 3D 打印设备和软件系统，并为研究人员提供培训和技术支持。该公司最新的打印设备 R-Gen 100 可以在保持细胞活性的同时提供高重复性、高精度的打印。
图 | RegenHU 公司 R-GEN 100 生物打印机（来源：genengnews）R-Gen 100 有 5 个独立的插槽，每个插槽可以加入不同的材料且能分别设置不同温度。MacKenzie 表示，“进行生物打印时，保持细胞温度是至关重要的。”同时，也可以用不同的挤出技术对不同特性的材料进行打印。例如，机械活塞可能最适合粘性材料，而气动打印可以减少剪切力，并能提高微弱细胞的存活性。灵活性和系统的高精度结合在一起，可以使用户创造出由多种材料构成的复杂 3D 结构。MacKenzie 提到，“我们的许多客户正在尝试构建一些非常复杂的 3D 细胞模型，而我们可以根据客户不同的意愿进行定制。”3D 打印功能性血管无论是学术研究还是工业制造，构建一个功能性器官都需要血液的供应。“每个不同的组织都有独特的细胞成分”，Advanced Solutions 的子公司 Advanced Solutions Life Sciences (ASLS) 首席科学家 James (Jay) Hoying 博士说， “而几乎每个组织都有血管，那我们如何建立能够与构成组织的细胞协作的血液供应呢？”为解决这一问题，Hoying 开发了一种用脂肪组织生成血管的方式 ——Angiomics，“拿到脂肪，然后去除脂肪细胞”。Hoying 解释道，脂肪组织是高度血管化的，毛细血管遍布脂肪床，拿到毛细血管，并将它们击碎。当这些毛细血管回到组织环境中，将仍然具有生长为较大血管的能力。“血管可以像在体内一样在培养皿中生长，”Hoying 指出，对毛细血管附近的组织细胞进行生物打印，可以创造出一个新血管可以生长为组织的环境，建立可以供血液流动的血管系统。他强调，在肿瘤模型的构建中，脉管系统是非常重要的，“要在体外尽可能多地捕捉肿瘤生物学信息，血液的供应很重要。”
图 | 生物打印机（来源：ASLS 官网）ASLS 把 Angiomics 和六轴 3D 打印硬件系统相结合，开发了人体肿瘤学评估（Human Oncology Personal Evaluation ，HOPE）平台。将患者的肿瘤复制出来，再结合功能性脉管系统，对各种药物的疗效进行测试，找出最适合患者的治疗方案。另外，ASLS 也在研发 3D 生物打印的可供移植的骨骼，其带有患者自身细胞的脉管系统。对患者受损骨骼进行断层扫描，设计出与患者解剖结构完全匹配的 3D 生物打印替代骨。目前，BioBone 正在进行临床前测试。ASLS 的生物打印机已在世界各地的实验室中用于制造皮肤、角膜、胰腺和其他身体结构。ASLS 首席执行官 Michael W. Golway 表示，“将平台移交给可以将整个职业生涯都投入到某个特定器官的科学家，这是我们的战略之一。” “我们的目标就是为这些科学家提供加快生物打印从研发到临床应用的平台。”第一家商业化 “通用生物墨水” 的公司所有这些 3D 打印现象都要依赖由自然或者合成的聚合物组成的生物墨水，在打印过程中维持细胞活性。根据打印的具体需求，生物墨水可能需要促进细胞黏附、增殖或分化。2016 年，Cellink 成为第一家将 “通用生物墨水” 商业化的公司。并且，其基于纤维素合成的生物墨水在去年获得了美国的专利。
