摘要：未来科学家将不断探索和研发更多种类的生物相容性材料。例如，开发具有更好机械性能且能精确模拟人体组织微环境的水凝胶，使其更适合打印复杂的组织结构，像心脏瓣膜、软骨等。

近年来，全球 3D 生物打印市场呈现出强劲的增长态势。根据权威市场研究机构的数据，过去几年，市场规模稳步增长。

3D生物打印技术主要分为喷墨式、微挤出式、激光直写式、光固化式、声波喷射式和声波组装式。常见的三种是挤出、液滴(喷墨)和激光辅助。

图|3D生物打印行业常用技术

未来科学家将不断探索和研发更多种类的生物相容性材料。例如，开发具有更好机械性能且能精确模拟人体组织微环境的水凝胶，使其更适合打印复杂的组织结构，像心脏瓣膜、软骨等。

此外，人工智能和机器学习算法将在3D生物打印中发挥重要作用。它们可以用于优化打印路径规划，根据目标组织或器官的三维模型自动生成最佳的打印策略，减少打印时间和材料浪费。同时，通过分析大量的生物数据和打印实验结果，AI能够预测打印过程中可能出现的问题，并实时调整打印参数，提高打印成功率和产品质量。

该打印方式是最常用的3D生物打印技术，使用气动或机械(活塞或螺旋)系统提供连续动力，挤出连续的生物墨水流，逐层堆积形成组织结构，根据供力系统不同分为活塞挤出、螺杆挤出和气动挤出技术。

喷嘴和工作平台的温度可以控制，可以打印多种细胞具有高细胞密度和活力的包封生物材料。优势是可提供连续动力，不受生物墨水的浓度限制，生物材料选择范围广，可以打印出结构强度较好的组织结构，但打印成本相比于液滴式要高，细胞活性也较液滴式低。

常见的挤出式打印形式是熔融沉积技术(Fused Deposition Modeling,FDM)，由挤出机连续输出材料至喷嘴，喷嘴对其进行加热进而沉积成型。生物医学工程中常选用聚氨酯(Polyurethane,TPU)、载细胞水凝胶、微载体为材料进行打印。

TPU丝材被澳大利亚伍伦贡大学采用制作了一种机器人的仿生手指，也有科研人员基于FDM技术，利用聚己内酯/聚乳酸复合材料植入大鼠模型，发现有明显的组织再生现象。

从研究出了具有三喷头的用于心脏组织和血管的打印技术，到开发出六喷头用于组织器官的打印方式，FDM生物打印的发展一直在前进。

2.液滴式打印

该打印方式由声学、热学、压电或静电喷墨喷嘴组成，利用电加热产生压电压力脉冲来推动喷嘴中的液滴，将细胞和生物材料以液滴的形式喷射到生物打印纸上，滴液带有一定的方向性和动能在指定路线下连续准确地滴落在平台，逐层堆积形成组织结构。以喷射成型(polyjet)为主的技术应用较为广泛，打印时以超薄层的状态将生物材料一层一层地喷射到构建托盘上，直至部件制作完成。

常用材料有海藻酸、壳聚糖、明胶、Tangoplus系列材料等，Tangoplus系列材料打印的成型件与硅橡胶相似，具有柔韧度，被用于打印软体机器人，营造人机共融性。哈佛大学研究人员利用这种特性打印了跳跃机器人的主体部分。

液滴直径可以达到10-60μm，具有高分辨率，高精度，高细胞存活率，设备成本较低，打印速度较快。但若使用黏性较高或成纤维状的生物墨水(如胶原蛋白)，易造成打印头堵塞而影响成型。若使用黏性较低的生物墨水，则不能达到良好的力学性能，在有性能要求下需使用混合打印。解决液滴单元之间的黏合度问题可以扩大液滴式生物打印材料的适用范围。

3.激光辅助式打印

该打印方式利用激光束对生物墨水进行定位与控制，打印头通过激光束的控制，将生物墨水按照预定的结构和形状进行打印。基本原理是物质的聚合作用，生物材料在激光的诱导下成型固化。主要形式有直写式激光诱导转移(Laser Induced Forward Transfer,LIFT)，数字激光打印(Digital Light Printing,DLP)，和激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS )。

数字激光打印通过控制数字微镜元件DMD，将成型件截面轮廓投影到生物墨水表面固化成型，具有精度高、速度快、造价低等特点。材料采用光敏型生物墨水，常用水凝胶、明胶、透明质酸等。材料资源丰富，特点突出，但在生物相容性、机械完整性和仿生性能方面达不到活性细胞和组织的要求。

激光选区烧结采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化。如在制作硅橡胶耳和鼻过程中，首先用3D激光扫描仪对标准耳和鼻模型进行逐点逐线逐面扫描，获得三维模型数据，然后用SLS将硅橡胶颗粒烧结出耳鼻模型，并用高压蒸汽枪冲洗后填充硅橡胶，最终经过后处理表面涂覆得到产品。

用于生物医学的材料有金属基材料和陶瓷材料，金属基材料使用较多的是应用于3D打印支架骨整合能力的钛金属和应用于承重植入物、牙科植入物、整形外科的钴金属，陶瓷材料以磷酸钙CaP和活性硅酸盐玻璃为主，广泛使用在天然骨、牙齿、整形外科和颌面外科的假体领域。在制药领域，因SLS技术具有无支撑和可加工复杂内部结构等优点，常用于打印药物缓释装置。

激光辅助打印法因不直接接触细胞组织，不会造成喷头堵塞，且分辨率高，而且打印不需经过流道，不会产生机械损伤，对细胞良好，存活率高。缺点是打印设备成本高，维护费用高，打印过程也容易造成污染。

生物打印方法各有优点和局限性。挤出式生物打印成本更低，但挤压更容易对细胞造成损害，细胞存活率下降。喷墨式打印对材料黏度的要求比较高，黏度过高过低都会影响成型效果。激光辅助式打印的精度较高，可以对高密度细胞样品中细胞的位置进行精准打印，但成本相对较高。选择3D生物打印方式时，一般根据所需的打印材料、精度要求以及应用领域等因素，根据具体需求选择。

图|主要3D生物打印技术

4.多材料打印和4D打印

在生物医学领域，生物打印主要受限于打印非功能化结构材料，无法顺利打印具有多种活性功能的材料，单一材料已不能满足对产品功能和性能的要求，这促进了生物多材料的发展。University of Maryland的John P. Fisher团队，提出了一种创新型的双重生物墨水打印策略，使用不可降解和可生物降解水凝胶的优势，来创建具有长期形状和体积保留的结构。

设计了两种墨水，与天然衍生和物理交联的藻酸盐共价连接的聚乙二醇的双网络，以及甲基丙烯酸明胶的可生物降解的充满细胞的生物油墨。这种打印方法可以精确地沉积水凝胶纤维，在功能上相互补充，并可实现复杂几何形状的多材料打印。

4D打印技术最早在2013年由美国麻省理工学院提出，旧概念的4D打印解释为3D打印+时间，新概念下的4D打印是一种使用具有形状记忆的材料，在特定条件下(如温度，湿度，磁场，酸碱度)按需求自动成型的打印技术。

材料目前主要是形状记忆聚合物和水凝胶，但形状记忆类材料大多变形范围有限，水凝胶的力学性能也较差，无法满足一些个性化的需求。

结语：未来，3D生物打印将形成一个完整的产业链，涵盖材料研发与生产、设备制造与销售、打印服务提供商、临床应用机构以及相关的监管和认证机构等环节。各环节之间将紧密合作，相互促进，共同推动整个产业的发展壮大。源起基金表示，随着市场竞争的加剧，行业整合也将不可避免，一些具有技术优势和市场竞争力的企业将脱颖而出，成为行业的领军者。

来源：源起基金