综述：生物打印革命：用于活体器官和透皮组织的3D生物活性支架的创新设计

　　本综述系统阐述了3D生物打印技术在生物活性支架设计与器官构建领域的突破性进展。文章深入探讨了生物墨水（bioink）的材料选择（包括天然/合成聚合物如GelMA、PEGDA、PCL）、打印技术（挤出式/光固化/激光辅助打印）及其在组织工程（TE）中的应用，重点覆盖了皮肤再生、血管化策略、骨/软骨修复以及肝/肾/心脏等复杂器官构建的最新成果，同时分析了人工智能（AI）辅助优化和临床转化面临的伦理挑战。

　　

2 BUILDING LIVING TISSUES WITH 3D BIOPRINTING: FUNDAMENTALS AND FUTURE TECHNOLOGIES

2.1 The basics of 3D bioprinting: printers and bioinks

3D生物打印通过精确组装生物材料、活细胞和生化分子构建三维结构，主要采用生物模拟、自主自组装和微型组织构建块三种策略。关键打印技术包括基于液滴的喷墨打印、挤出式打印和激光辅助打印（LAB）。生物墨水的选择至关重要，天然聚合物（如明胶、透明质酸（HA）、胶原）提供良好生物相容性和细胞粘附性，但机械强度不足；合成聚合物（如聚己内酯（PCL）、聚乙二醇（PEG））则提供优异机械性能和可调控性。近期研究聚焦混合生物墨水开发，例如丝素蛋白-明胶复合体系可提升打印效率和软骨组织替代物性能。

2.2 Material selection and next-generation bioinks

理想生物墨水需兼具机械性能、流变特性和生物活性。智能生物墨水如海藻酸钠-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）-ZnSO₄体系展现出温敏特性和良好生物相容性；多巴胺修饰的HA墨水通过腙交联化学实现角膜基质构建，支持细胞增殖和神经支配；光固化壳聚糖-丙烯酰胺杂交系统通过数字光处理（DLP）打印获得高强度水凝胶结构。自组装肽（Fmoc-FF）与海藻酸钠杂交墨水表现出自愈合能力和显著机械增强效果。

2.3 Bioprinter design and innovative technologies

生物打印流程始于医学成像（CT/MRI）和三维建模，经CAD切片和路径规划后进入生物墨水制备阶段。挤出式技术面临喷嘴堵塞和剪切应力导致细胞存活率低的问题，而激光辅助打印精度高但成本昂贵。多材料立体光刻（SLA）系统可实现多细胞结构的空间组织，激光引导直写（LGDW）技术则实现微米级细胞精确定位，但细胞产量和重复性仍是挑战。

3 BIOACTIVE SCAFFOLDS: VITAL STRUCTURES FOR LIVING ORGANS

3.1 The role and importance of scaffolds

支架在组织工程中提供机械支撑和促进血管化，理想骨支架需具备高孔隙率。生物打印技术推动了个性化支架发展，智能生物材料能直接促进骨愈合，尤其在老龄化群体中具有应用潜力。

3.2 Designing bioactive scaffolds for living tissues

支架需整合生物活性成分（如ECM组分、纳米颗粒）以控制释放生物分子。电纺纳米纤维模拟ECM结构，增强生物活性和骨再生；超分子材料功能化肽段改善细胞粘附；自愈合水凝胶支持组织重塑。机械性能需匹配天然骨以避免应力屏蔽，增材制造（AM）技术可定制孔隙结构和连通性。

3.3 Innovative scaffold materials and applications

水凝胶基支架、电纺纤维支架和金属支架各有优势：水凝胶如凝胶蛋白-海藻酸钠-纤维蛋白原复合物支持全层皮肤构建；电纺PCL纳米纤维与纤维素衍生物混合物适用于上皮组织模型；3D打印聚己内酯（PCL）支架结合镁磷酸基凝胶（TMP-BG）展现优异打印性和生物活性；金属支架通过生物陶瓷涂层改善生物相容性和抗菌性。

4 BIOPRINTING IN SKIN AND TRANSDERMAL SYSTEMS: INNOVATIVE APPROACHES AND APPLICATIONS

4.1 Skin production: innovative solutions with bioprinting

全层皮肤（FTS）构建采用分层策略：真皮层嵌入成纤维细胞，表皮层添加角质形成细胞和层粘连蛋白。生物打印皮肤模型成功模拟人类皮肤结构和生理功能，转录组和蛋白质组分析显示与天然皮肤高度相似。功能性伤口敷料整合生长因子、干细胞和抗菌剂，3D打印技术实现解剖精确的个性化设计。

4.2 Transdermal systems: technologies beyond the skin

微针（MN）系统实现无痛透皮给药，连续液体界面生产（CLIP）技术制造晶格微针（L-MAP）和动态微针（D-MAP）用于固体/液体药物递送和组织液提取。抗菌壳聚糖-生物表面活性剂水凝胶网格涂层防止医疗设备感染，诺osomes负载隐丹参酮（CPT）的3D打印水凝胶实现高效抗痤疮治疗。

5 BIOPRINTING IN REGENERATIVE MEDICINE: THE POTENTIAL FOR ORGAN AND TISSUE REGENERATION

5.1 Organ regeneration: building organs with bioprinting

生物墨水分类为天然和合成聚合物，细胞类型包括原代细胞、干细胞和工程细胞系。器官再生技术涵盖细胞移植、脱细胞支架再细胞化、体外器官发育和异种移植。诱导多能干细胞（iPSCs）分化为β细胞解决供体短缺问题，脱细胞ECM支架保留微结构支持细胞附着和分化。

5.1.1 Nerve bioprinting

水凝胶整合血管内皮生长因子（VEGF）控制释放促进神经再生，多腔道神经移植物通过细胞圆柱体堆叠形成，支持轴突再生。

5.1.2 Blood vessels bioprinting

血管构建挑战在于机械稳定性和功能整合。同轴打印技术沉积内皮细胞和平滑肌细胞模拟血管层状结构，牺牲性打印创建复杂血管网络。内皮祖细胞（EPC）负载生物墨水搭载阿托伐他汀微球促进缺血组织血管生成。

5.1.3 Cardiac tissue bioprinting

心血管疾病治疗需求推动心脏组织工程。生物打印心脏贴片增强梗死心脏功能，但血管化仍是挑战。预加工阶段基于MRI/CT图像创建患者特异性模型，后处理阶段在生物反应器中成熟构建体。

5.1.4 Heart bioprinting

患者脂肪细胞衍生的iPSCs与ECM成分组合构建微型心脏，含心房、心室和主要血管。胶原层嵌入心肌细胞（CMs）形成自发性搏动左心室和心脏瓣膜模型。支架自由打印减少免疫反应风险，球体基打印实现高细胞密度。

5.1.5 Trachea bioprinting

3D打印PCL支架涂层间充质干细胞（MSCs）修复气管缺损，成功整合并再生呼吸粘膜。基于影像技术的个性化气管夹板改善支气管结构和功能。

5.1.6 Alveoli bioprinting

肺泡复杂结构和微观尺寸使生物打印困难，挤出式打印机分辨率约100μm难以复制细节。先进模型如聚二甲基硅氧烷（PDMS）动态肺泡模拟呼吸运动，Matrigel?定位上皮和内皮细胞。

5.1.7 Lung bioprinting

投影SLA技术使用食品级染料添加剂快速制造血管系统，功能性肺模型模拟氧气传输和呼吸。COVID-19肺尺度模型基于CT扫描可视化感染损伤。

5.1.8 Liver bioprinting

肝脏生物打印聚焦肝小叶模型、药物测试和疾病建模。肝芯片系统整合多种细胞类型、ECM微环境和流体系统，脱细胞ECM生物墨水模拟天然肝脏环境。原代肝细胞与生长因子组合构建血管化肝样结构。

5.1.9 Kidney bioprinting

肾单位功能单元整合肾小球和肾小管组件。光交联生物墨水含明胶、HA、甘油和脱细胞肾ECM，创建含原代肾细胞的体外模型。血管腐蚀铸造开发仿生肾血管支架，凝胶-纤连蛋白生物墨水打印血管化近端小管。

5.1.10 Pancreas bioprinting

胰岛封装治疗1型糖尿病（T1D），避免缺氧和免疫排斥。iPSCs分化为β细胞解决供体短缺，大孔装置装载细胞。胰腺脱细胞ECM（pdECM）生物墨水增强胰岛素分泌，多孔PCL壳创建杂交宏封装系统。

5.1.11 Bladder bioprinting

细胞封装液滴生成系统打印平滑肌细胞（SMC）贴片，培养51天形成类膀胱3D组织构建体。集成生物打印技术制造尿道，PCL/聚（丙交酯-己内酯）（PLCL）热塑性聚合物与纤维蛋白-明胶-HA水凝胶结合。

5.1.12 Small intestine bioprinting

组织工程小肠（TESI）作为自体疗法，植入器官单位（上皮和间充质多细胞簇）于宿主大网膜形成TESI，密切模拟天然肠道组织学但缺乏平滑肌正确排列。

5.1.13 Ovary bioprinting

生物工程卵巢持续释放性激素（雌激素和孕酮），提供比激素替代疗法更自然选择。

5.1.14 Thymus bioprinting

激活单一转录因子显著逆转胸腺年龄相关性萎缩。

5.1.15 Dentistry bioprinting

再生牙科技术修复龋齿损伤、牙周缺损和颌骨移植。同种牙干细胞构建功能性生物根结构，生物工程牙胚移植形成功能牙。非牙源干细胞（如尿液来源）研究潜力。

5.1.16 Retina bioprinting

视网膜生物打印挑战在于复制复杂神经结构和血管系统。视网膜色素上皮（RPE）细胞功能障碍导致疾病，水凝胶支架支持视网膜细胞附着和生长。iPSCs分化为RPE细胞和视网膜节细胞（RGCs），超薄聚己内酯（PCL）膜改善Bruch膜孔隙分布。

5.1.17 Cornea bioprinting

角膜生物打印实现曲率和厚度个性化控制。弯曲植入物促进细胞粘附和组织上皮化，剪切应力影响胶原纤维排列。双层植入物含角膜上皮细胞和间充质干细胞（MSCs）成功促进角膜愈合。

5.1.18 Ear bioprinting

3DBio Therapeutics首次植入“AuriNovo”3D打印耳植入物。软骨细胞培养和3D打印技术创建耳植入物成功移植儿童，机械强度和耐磨性增强是关键挑战。生物工程耳嵌入功能电子设备，导电硅胶银纳米粒子线圈天线连接耳蜗状电极。

5.2 Bone, muscle, and skin regeneration: innovative treatments with bioprinting

5.2.1 Skin and wound healing

生物打印皮肤移植物减少免疫排斥和供体依赖，纳米复合生物墨水整合氧化石墨烯增强抗菌性能。血管化构建体整合人真皮成纤维细胞和内皮细胞（ECs），实现与宿主组织功能整合。皮肤芯片平台嵌入免疫细胞研究炎症反应，个性化移植物匹配患者天然肤色。

5.2.2 Sweat glands bioprinting

微环境调节汗腺分化和功能，小鼠足真皮匀浆ECM生物墨水促进表皮祖细胞分化为汗腺。挤出式打印创建汗腺样微环境，间充质干细胞（MSCs）分化为功能汗腺，胶原三螺旋重复蛋白1（CTHRC1）作为关键生化因子。

5.2.3 Hair follicles bioprinting

毛囊真皮乳头细胞（DPCs）诱导能力通过3D球体培养部分维持，Matrigel支架制备3D毛乳头细胞球保留关键标志物（NCAM和α-SMA）。

5.2.4 Muscle bioprinting

生物微机电系统（Bio-MEMS）整合肌肉细胞作为驱动源，C₂C₁₂骨骼肌细胞分化为多核肌管。生物打印精确播种细胞到微设备组件（如悬臂），打印肌管对电脉冲同步响应。严重肌肉损伤修复需要仿生微环境，脱细胞ECM（dECM）支架提供理想生化环境，拓扑线索引导肌管排列。

5.2.5 Cartilage bioprinting

软骨有限自我修复能力，分为透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。纳米纤化纤维素与海藻酸钠杂交生物墨水展现优异剪切稀化和快速交联能力。生物墨水成分影响软骨类型形成：海藻酸钠和琼脂糖水凝胶支持透明样软骨（II型胶原ECM），GelMA和聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）水凝胶促进纤维软骨（I和II型胶原ECM）。组织源dECM水凝胶含必需ECM成分助细胞粘附、生长和分化。

5.2.6 Musculoskeletal bioprinting

生物玻璃支架整合硫酸钙水合物促进骨再生，支持人间充质干细胞（hMSCs）粘附增殖。激光诱导向前转移（LIFT）打印成纤维细胞、角质形成细胞和hMSCs，干细胞可能降低细胞存活率。

5.2.7 Tendon bioprinting

肌腱和韧带缺乏血管和细胞性使愈合困难。3D打印支架精确控制孔径和几何形状匹配机械和生物学性能。双相生物反应器系统同时暴露支架两侧支持细胞存活、分化和增殖。多层聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）支架结合胶原-纤维蛋白水凝胶和脂肪来源间充质干细胞（hASCs）促进肌腱样细胞生长。

5.3 The role of bioprinting in cancer research

3D打印肿瘤模型提高手术精度和个性化护理，个体化肿瘤模型助力抗癌药物开发。可生物降解植入物激光疗法激活提供化疗和热消融结合治疗。3D多孔支架处理局部复发性乳腺癌，支持肿瘤手术切除后组织修复。癌症相关恶病质（CAC）模型研究脂肪组织降解，工程白色脂肪组织（eWAT）诱导胰腺癌细胞条件培养基（CM）模拟CAC条件。

6 AI AND BIOPRINTING: PERSONALIZED HEALTHCARE SOLUTIONS AND FUTURE PERSPECTIVES

6.1 The development of bioprinting with AI and machine learning

CAD技术实现器官个性化定制，现代生物打印软件（如CELLINK HeartOS）优化过程。AI和机器学习预测细胞反应、可打印性和支架质量，完全连接神经网络超参数优化。机器学习设计天然生物材料可打印生物墨水，多回归分析生成优化配方。可解释机器学习检查水凝胶墨水可打印性，流变测量提供定性指导。流变知情分层机器学习（RIHML）模型预测挤出式打印分辨率。

6.2 Personalized medicine: custom health solutions with bioprinting

药用植物提取物（如白藜芦醇）增强软骨细胞存活率，黄酮类化合物助骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化。转移学习提高血管结构分割准确性， alginate-葡甘露聚糖水凝胶打印高分叉冠状动脉结构。机器学习模型预测骨支架压缩强度，减少人工干预。

6.3 Data analytics and AI-supported bioprinting

数据驱动方法预测细胞相互作用和模拟生物材料特性，AI算法简化生物过程。深度学习模型优化生物材料机械和生物学特性，预测模型实现实时过程监测和错误检测。AI仿真工具评估组织复制品解剖精度，个性化医学中AI整合患者特定生物数据创建定制组织。

7 ETHICAL AND LEGAL CHALLENGES: RESPONSIBILITIES FOR THE FUTURE OF BIOPRINTING

7.1 Ethical challenges

细胞和组织来源需知情同意和透明获取；人兽混合细胞创建杂交组织引发道德和社会影响担忧；公平访问避免医疗资源分层；人类寿命延长带来哲学问题。

7.2 Legal challenges

生物打印技术和器官专利化引发所有权问题；安全性和有效性需明确指南；构建体故障时责任界定（制造商/医疗提供者/患者）复杂。

7.3 Responsibilities for the future

制定国际标准规范生物打印伦理和法律应用；公众透明讨论培养信任；科学家、伦理学家、法律专家和政策制定者跨学科合作。

7.4 Possible short-term benefits of 3D bioprinting

“器官芯片”技术减少动物试验，iPSCs重编程为类器官测试药物效力和效能；人工皮肤、软骨和气管等简单结构工程化；疾病组织模型测试新治疗方法。

7.5 Possible long-term benefits of 3D bioprinting

实体器官打印避免异种移植和基因修饰动物使用；可持续解决方案减少对人类捐赠者依赖和非法器官贸易；年轻患者个性化器官解决供体短缺。

7.6 Ethical challenges in 3D bioprinting

不平等访问可能仅富裕个体或国家受益；不切实际期望导致公众幻灭或资源分配伦理问题；活细胞植入风险（如畸胎瘤形成、癌症）；生物打印产品所有权和监管框架缺乏。

7.7 Critical perspective

许多应用仍依赖克服技术、生物和监管障碍，疾病建模常未能完全复制体内生理复杂性；器官替换面临血管化、免疫兼容性和功能整合挑战；快速商业化可能加剧全球医疗不平等；未解决知识产权问题可能使控制权集中在少数实体。

8 CONCLUSION

生物打印技术展示构建活体组织巨大潜力，手持数字控制打印机直接修复病变精确递送细胞、生长因子和支架。复杂功能性微血管构建对于厚组织工程化至关重要。挑战包括机械强度（特别是水凝胶结构）、打印分辨率低、血管化不足以及大规模构建体打印时间长。未来研究聚焦开发机械性能改进新材料、混合打印技术提高分辨率、促进血管化和神经支配策略、体积打印加速速度、AI整合增强质量控制、患者特异性细胞应用以及四维（4D）打印创建响应外部刺激动态结构。器官芯片技术和个性化生物打印潜力创建更精确疾病模型和定制治疗。从实验室到临床需克服技术、生物和监管挑战。