三維（3D）生物打印是近年來新興的一項生物組織工程學技術，其發展有利于解決目前臨床組織器官修復的問題。本文就 3D 生物打印和泌尿系統修復重建的臨床與研究現狀進行回顧，并展望 3D 生物打印應用于泌尿系統修復重建中的可行性與臨床價值。
引用本文： 宮麗娜, 金熙, 李虹, 王坤杰. 三維生物打印在泌尿系統修復重建中的應用及展望. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(2): 207-210. doi: 10.7507/1001-5515.201912016 復制
引言
三維（three dimensional，3D）生物打印是指利用計算機斷層掃描（computedtomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像學技術以及計算機輔助技術虛擬構建出所需物體的空間結構，然后使用相關復合材料，按照特定的模式一層一層地沉積打印出實體的一種組織工程學技術[1]。3D 生物打印技術是一項多學科交叉應用技術，基于組織工程學、材料科學、細胞生物學、計算機技術等學科的交叉融合而不斷發展。隨著 3D 生物打印技術的不斷進步，自體組織器官再生逐漸成為可能，為廣大相關患者帶來了希望。本文基于泌尿系統修復重建手術現狀進行分析討論，并探討如何運用 3D 生物打印技術解決泌尿系統修復重建中存在的問題。
1 泌尿系統修復重建的現狀
外傷、腫瘤、炎癥、先天畸形、分娩損傷和衰老等因素都可能導致泌尿系統組織的結構和功能缺失，需要通過手術來進行修復和重建[2]。泌尿系統修復重建手術區別于毀損性手術，它難度大、風險高、成功率低、并發癥發生率高。此外，有一些組織缺失嚴重的患者，還需要進一步通過移植物來進行組織修復[3]。臨床常用的泌尿系統修復移植物一般來源于自體泌尿系統組織、自體非泌尿系統組織以及組織工程學替代物。例如，自體口腔頰黏膜和舌黏膜移植修補術適用于近段尿道下裂患者，在豐富的手術經驗基礎上，患者術后一年以上并發癥的發生率只有 16%[4]。此外，在組織工程學方向，針對脫細胞基質和人工生物可降解材料的研究也取得了一系列進展。有研究者把接種了自體間充質干細胞的脫細胞基質用于修復家兔尿道的缺失部分，體內實驗顯示，16 周后在移植物中發現了新生血管和平滑肌束，并且無尿道狹窄現象[5]。又有研究表明，可在膀胱修補術后的膀胱灌洗液中檢出植入的生物可降解材料成分，并且在植入第 50 d 時發現移植物內有大量細胞集落形成[6]。
基于國內外的眾多研究，雖然目前針對泌尿系統修復重建的方法已有了初步探索，但是對于大面積或者長度在 5 cm 以上的尿路修復，現有的各種方法仍然存在一些缺陷[7]。例如，自體組織移植物會造成機體二次損傷，而組織工程學替代物也有易造成機體感染、促使炎癥發生、生物相容性差以及導致慢性疼痛等風險，因此泌尿系統修復重建手術中所用的修復材料有待進一步優化。
2 生物組織工程學在泌尿系統修復中的應用及現狀
人體組織器官損傷的修復，尤其是不可再生組織，一直是困擾眾多研究者的醫學難題之一。不斷發展的生物組織工程學為醫學研究者們開辟了一條新思路。隨著人造血管、人造瓣膜以及人造骨等廣泛應用[8-10]，對于人造生物材料替代物的研究也逐漸增多了起來。人造生物材料替代物最初是由生物可降解的聚合材料為基礎，如聚乙醇酸（poly glycolic acid，PGA）、聚乳酸（poly lactic acid，PLA）和聚乳酸聚乙醇酸復合物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等。此類聚合物不僅具有良好的生物相容性，有利于促進組織細胞再生，還可以給修復部位提供相應的力學支撐，并能隨自體組織的生長而逐漸降解[11-13]。目前，這些材料已獲得美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的批準用于臨床，并被廣泛地應用于口腔、骨等組織。有研究證明在牙周組織缺陷的治療中使用 PLA/PLGA 復合材料的網帶支架，支架于 6～8 周后發生降解，這種支撐力強大的材料，給牙周組織再生提供了充足的時間[14]。另外，有學者用濕紡 PLGA 材料的方法做成了纖維骨支架，這種支架有利于骨質的恢復和再生[15]。PLGA 材料還可以制作成攜帶細胞因子的納米粒子，研究者將其噴到損傷的牙齦組織上，便可以促使牙齦上皮細胞增殖，促進損傷牙齦的恢復[16]。2009 年 Eberli 等[17]采用聚羥基乙酸-膠原支架復合膀胱細胞進行膀胱替代研究，結果顯示該支架復合細胞的方式使膀胱順應性增加、膀胱容量增加，該結果使得此研究具有里程碑的意義。盡管目前的研究證明了組織工程膀胱能安全地植入體內，并且該手術也取得了一定的效果，但是對于膀胱的修復仍舊處于結構和功能化修復的最初步探索階段。另外，結合泌尿系統修復的特殊要求，Xu 等[18]研發出新型聚氨酯高分子材料，通過調節成分比例，可控制修復材料的生物降解速度，并且通過調節材料特性可招募自體細胞黏附定植，在促進細胞生長的同時達到抑菌的目的。
由于對移植替代物的生物組織相容性、降解速率以及患處擬合度等要求越來越高，單純的脫細胞基質或者脫細胞基質聯合人造合成材料的復合替代物已經不能滿足臨床需求。因此，需要研制出一種新型移植替代物，既具有良好的生物組織相容性和高擬合度，又可以對損傷部位提供一定程度的支撐力。
3 3D 生物打印技術的發展
3D 打印技術是近年發展起來的一項新技術，其應用廣泛，包括航天、工程學、材料科學、物理研究等各個領域。3D 打印技術最早出現在 1984 年，是利用一種紫外光固化材料施行分層打印，最后形成一個實體化的三維結構，這種方法叫做立體光固化成型法（stereo lithography apparatus，SLA）[19]。隨著技術的發展，3D 打印也越來越多地應用于醫學生物組織工程學。最初的 3D 打印技術被用于打印患者患處的支架；或打印出生物組織模型，給醫學研究和臨床治療提供參考[20-21]。隨著 3D 打印技術、材料科學和基礎醫學的發展，越來越多的研究團隊研制出各種具有生物活性的生物墨水，包括：種子細胞、細胞因子、生物支撐材料以及適宜細胞打印的噴嘴[22-23]，3D 生物打印技術便逐漸被廣泛應用于醫學的各大領域中。3D 生物打印技術主要分為 4 個步驟：① 運用影像學技術結合計算機編碼復刻出組織器官虛擬模型；② 運用病理圖像技術，比如激光共聚焦的組織厚片染色來進行組織細微結構的 3D 重建，以此來充實完善虛擬組織器官的細胞構成情況；③ 用裝配了相應生物墨水的 3D 打印機逐層打印出虛擬組織器官，使其實物化；④ 培養并檢測所得到的組織器官的生物穩定性及活性。3D 生物打印移植替代物修復患處，相較于生物源性移植物和傳統組織工程學替代物的優勢在于與患處高度的擬合度、較低的排異反應和在患處良好的支撐力度。近年來，有研究團隊選擇甲基丙烯酸化型膠原（methacrylated type I collagen）和海藻酸鈉（sodium alginate）作為細胞基質，用角膜基質細胞作為種子細胞，運用 3D 打印技術成功復刻出患者的眼角膜[24]。另有研究證明，藻酸鹽生物墨水具有穩定的打印特性，其可從陣列式打印噴頭（XJ-128，Xaar Inc.，英國）穩定噴射，在保證了細胞密度的同時，還維持了細胞增殖分化的能力[10]。目前在臨床研究中，3D 生物打印已應用于多種人體器官的修復，例如：骨、軟骨、皮膚和血管等[25-26]。
3D 生物打印的技術難點在于生物支撐材料的選擇和維持特定組織細胞的活性。生物支持材料不降解或者降解過慢會造成組織相容性差以及排異反應，降解速度過快會導致支撐能力差，患處復發等問題[27]。因此，研制出適合的生物支撐材料和基質成分的同時，保護好噴射打印細胞的活性則成為了研究者們需探索解決的難題。
4 探索泌尿系統修復重建新方法
目前，國內外暫無 3D 生物打印移植替代物用于泌尿系統修復重建中的研究報道。隨著 3D 生物打印技術在人體多種器官修復中的不斷研究，這種方法或許可以成為膀胱和尿道修復工程的新策略。3D 生物打印移植替代物用于泌尿系統修復重建的這種方法可分為以下幾步：① 利用患者自體細胞，例如骨髓間充質干細胞[28]和脂肪干細胞[29]等，作為種子細胞進行體外擴增培養，并誘導分化成為患處所需成熟泌尿系統細胞；② 使用海藻酸鈉、膠原等人造細胞基質包裹細胞，并且從中去除可能引起排斥反應的細胞成分[30]；③ 聯合無創影像學技術、病理圖像技術與計算機虛擬技術，構建出細致的患處缺損組織結構；④ 應用安裝了多噴嘴的 3D 打印設備，每種組分采用單獨噴嘴、多噴嘴配合同時打印，逐層構建出所需移植替代物；⑤ 采用 3D 培養的方式穩定移植替代物的組織細胞結構；⑥ 檢測培養后所形成的再生移植替代物，其與正常泌尿系統組織應有相同的結構和功能，并且具有一定的韌性和抗張強度[31]。傳統生物組織工程學移植替代物雖然能明顯降低復發率，但患處有可能會發生炎癥、感染、侵蝕等副作用[32]；而生物源性移植物雖有較好的生物組織相容性，但不足以維持患處的支撐力，尤其是膀胱和尿道常處于負壓狀態，更需要強大的支撐力[33]。相較于此，3D 生物打印技術不僅能通過患處組織架構精確無誤的構建患處模型，同時還能打印多種不同功能的細胞、細胞外基質、細胞生長因子以及可降解的高分子支撐材料。3D 生物打印技術甚至可以重建血管及神經，得以最大程度地實現自體組織解剖復位[34]。該方法還可根據不同患者的個體差異定制移植替代物，實現個體化精準醫療的目的。雖然目前暫無 3D 生物打印技術應用于泌尿系統修復重建的研究，但是基于此方法已應用于心臟修復[35]、盆腔修復[36]等領域取得了較為理想的研究結果，未來可以大膽設想將其應用于泌尿系統修復重建中，可能會優于現有方案。
雖然 3D 生物打印技術的優勢明顯，但是以目前的情況來看，3D 生物打印技術難以普及，主要有以下幾個因素：① 3D 生物打印制作成本普遍偏高；② 打印的原材料種子細胞的培養及獲取相對較難，需要具備豐富細胞培養經驗的技術人員操作；③ 用來打印的支撐材料不僅需要具備良好的生物組織相容性及生物力學性能，還必須要符合泌尿系統的特殊結構要求；④ 3D 數據重建必須精準無誤；⑤ 需要能保證細胞及細胞因子活性的特殊 3D 打印機及噴嘴；⑥ 要配備熟練掌握 3D 立體打印技術的操作人員。因此，要發揮出 3D 生物打印技術的優勢，使新型移植替代物應用于臨床，還需要進一步的研究積累及探索。
5 總結
總之，3D 生物打印技術是組織工程學的一種新興技術，其具有廣泛的臨床應用前景。將 3D 生物打印的移植替代物應用于泌尿系統修復重建中后，希望其可以在保證對患處組織支撐力的同時，仍然具有良好的生物組織相容性，該移植替代物將成為最接近生物體生理狀態的移植材料。這項技術一旦成熟，替換損傷的泌尿系統組織或者器官就會成為可能，這為治療人類疾病，延長人類壽命提供了新思路。3D 生物打印技術是一項多學科交叉應用技術，只有眾多學科的共同發展，才可能促使這項技術的成熟化。目前，3D 生物打印技術仍然存在一些技術難點，只有廣大研究者們不斷研究突破，才有可能將 3D 生物打印廣泛應用于臨床，給患者帶來福音。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
三維（three dimensional，3D）生物打印是指利用計算機斷層掃描（computedtomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像學技術以及計算機輔助技術虛擬構建出所需物體的空間結構，然后使用相關復合材料，按照特定的模式一層一層地沉積打印出實體的一種組織工程學技術[1]。3D 生物打印技術是一項多學科交叉應用技術，基于組織工程學、材料科學、細胞生物學、計算機技術等學科的交叉融合而不斷發展。隨著 3D 生物打印技術的不斷進步，自體組織器官再生逐漸成為可能，為廣大相關患者帶來了希望。本文基于泌尿系統修復重建手術現狀進行分析討論，并探討如何運用 3D 生物打印技術解決泌尿系統修復重建中存在的問題。
1 泌尿系統修復重建的現狀
外傷、腫瘤、炎癥、先天畸形、分娩損傷和衰老等因素都可能導致泌尿系統組織的結構和功能缺失，需要通過手術來進行修復和重建[2]。泌尿系統修復重建手術區別于毀損性手術，它難度大、風險高、成功率低、并發癥發生率高。此外，有一些組織缺失嚴重的患者，還需要進一步通過移植物來進行組織修復[3]。臨床常用的泌尿系統修復移植物一般來源于自體泌尿系統組織、自體非泌尿系統組織以及組織工程學替代物。例如，自體口腔頰黏膜和舌黏膜移植修補術適用于近段尿道下裂患者，在豐富的手術經驗基礎上，患者術后一年以上并發癥的發生率只有 16%[4]。此外，在組織工程學方向，針對脫細胞基質和人工生物可降解材料的研究也取得了一系列進展。有研究者把接種了自體間充質干細胞的脫細胞基質用于修復家兔尿道的缺失部分，體內實驗顯示，16 周后在移植物中發現了新生血管和平滑肌束，并且無尿道狹窄現象[5]。又有研究表明，可在膀胱修補術后的膀胱灌洗液中檢出植入的生物可降解材料成分，并且在植入第 50 d 時發現移植物內有大量細胞集落形成[6]。
基于國內外的眾多研究，雖然目前針對泌尿系統修復重建的方法已有了初步探索，但是對于大面積或者長度在 5 cm 以上的尿路修復，現有的各種方法仍然存在一些缺陷[7]。例如，自體組織移植物會造成機體二次損傷，而組織工程學替代物也有易造成機體感染、促使炎癥發生、生物相容性差以及導致慢性疼痛等風險，因此泌尿系統修復重建手術中所用的修復材料有待進一步優化。
2 生物組織工程學在泌尿系統修復中的應用及現狀
人體組織器官損傷的修復，尤其是不可再生組織，一直是困擾眾多研究者的醫學難題之一。不斷發展的生物組織工程學為醫學研究者們開辟了一條新思路。隨著人造血管、人造瓣膜以及人造骨等廣泛應用[8-10]，對于人造生物材料替代物的研究也逐漸增多了起來。人造生物材料替代物最初是由生物可降解的聚合材料為基礎，如聚乙醇酸（poly glycolic acid，PGA）、聚乳酸（poly lactic acid，PLA）和聚乳酸聚乙醇酸復合物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等。此類聚合物不僅具有良好的生物相容性，有利于促進組織細胞再生，還可以給修復部位提供相應的力學支撐，并能隨自體組織的生長而逐漸降解[11-13]。目前，這些材料已獲得美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的批準用于臨床，并被廣泛地應用于口腔、骨等組織。有研究證明在牙周組織缺陷的治療中使用 PLA/PLGA 復合材料的網帶支架，支架于 6～8 周后發生降解，這種支撐力強大的材料，給牙周組織再生提供了充足的時間[14]。另外，有學者用濕紡 PLGA 材料的方法做成了纖維骨支架，這種支架有利于骨質的恢復和再生[15]。PLGA 材料還可以制作成攜帶細胞因子的納米粒子，研究者將其噴到損傷的牙齦組織上，便可以促使牙齦上皮細胞增殖，促進損傷牙齦的恢復[16]。2009 年 Eberli 等[17]采用聚羥基乙酸-膠原支架復合膀胱細胞進行膀胱替代研究，結果顯示該支架復合細胞的方式使膀胱順應性增加、膀胱容量增加，該結果使得此研究具有里程碑的意義。盡管目前的研究證明了組織工程膀胱能安全地植入體內，并且該手術也取得了一定的效果，但是對于膀胱的修復仍舊處于結構和功能化修復的最初步探索階段。另外，結合泌尿系統修復的特殊要求，Xu 等[18]研發出新型聚氨酯高分子材料，通過調節成分比例，可控制修復材料的生物降解速度，并且通過調節材料特性可招募自體細胞黏附定植，在促進細胞生長的同時達到抑菌的目的。
由于對移植替代物的生物組織相容性、降解速率以及患處擬合度等要求越來越高，單純的脫細胞基質或者脫細胞基質聯合人造合成材料的復合替代物已經不能滿足臨床需求。因此，需要研制出一種新型移植替代物，既具有良好的生物組織相容性和高擬合度，又可以對損傷部位提供一定程度的支撐力。
3 3D 生物打印技術的發展
3D 打印技術是近年發展起來的一項新技術，其應用廣泛，包括航天、工程學、材料科學、物理研究等各個領域。3D 打印技術最早出現在 1984 年，是利用一種紫外光固化材料施行分層打印，最后形成一個實體化的三維結構，這種方法叫做立體光固化成型法（stereo lithography apparatus，SLA）[19]。隨著技術的發展，3D 打印也越來越多地應用于醫學生物組織工程學。最初的 3D 打印技術被用于打印患者患處的支架；或打印出生物組織模型，給醫學研究和臨床治療提供參考[20-21]。隨著 3D 打印技術、材料科學和基礎醫學的發展，越來越多的研究團隊研制出各種具有生物活性的生物墨水，包括：種子細胞、細胞因子、生物支撐材料以及適宜細胞打印的噴嘴[22-23]，3D 生物打印技術便逐漸被廣泛應用于醫學的各大領域中。3D 生物打印技術主要分為 4 個步驟：① 運用影像學技術結合計算機編碼復刻出組織器官虛擬模型；② 運用病理圖像技術，比如激光共聚焦的組織厚片染色來進行組織細微結構的 3D 重建，以此來充實完善虛擬組織器官的細胞構成情況；③ 用裝配了相應生物墨水的 3D 打印機逐層打印出虛擬組織器官，使其實物化；④ 培養并檢測所得到的組織器官的生物穩定性及活性。3D 生物打印移植替代物修復患處，相較于生物源性移植物和傳統組織工程學替代物的優勢在于與患處高度的擬合度、較低的排異反應和在患處良好的支撐力度。近年來，有研究團隊選擇甲基丙烯酸化型膠原（methacrylated type I collagen）和海藻酸鈉（sodium alginate）作為細胞基質，用角膜基質細胞作為種子細胞，運用 3D 打印技術成功復刻出患者的眼角膜[24]。另有研究證明，藻酸鹽生物墨水具有穩定的打印特性，其可從陣列式打印噴頭（XJ-128，Xaar Inc.，英國）穩定噴射，在保證了細胞密度的同時，還維持了細胞增殖分化的能力[10]。目前在臨床研究中，3D 生物打印已應用于多種人體器官的修復，例如：骨、軟骨、皮膚和血管等[25-26]。
3D 生物打印的技術難點在于生物支撐材料的選擇和維持特定組織細胞的活性。生物支持材料不降解或者降解過慢會造成組織相容性差以及排異反應，降解速度過快會導致支撐能力差，患處復發等問題[27]。因此，研制出適合的生物支撐材料和基質成分的同時，保護好噴射打印細胞的活性則成為了研究者們需探索解決的難題。
4 探索泌尿系統修復重建新方法
目前，國內外暫無 3D 生物打印移植替代物用于泌尿系統修復重建中的研究報道。隨著 3D 生物打印技術在人體多種器官修復中的不斷研究，這種方法或許可以成為膀胱和尿道修復工程的新策略。3D 生物打印移植替代物用于泌尿系統修復重建的這種方法可分為以下幾步：① 利用患者自體細胞，例如骨髓間充質干細胞[28]和脂肪干細胞[29]等，作為種子細胞進行體外擴增培養，并誘導分化成為患處所需成熟泌尿系統細胞；② 使用海藻酸鈉、膠原等人造細胞基質包裹細胞，并且從中去除可能引起排斥反應的細胞成分[30]；③ 聯合無創影像學技術、病理圖像技術與計算機虛擬技術，構建出細致的患處缺損組織結構；④ 應用安裝了多噴嘴的 3D 打印設備，每種組分采用單獨噴嘴、多噴嘴配合同時打印，逐層構建出所需移植替代物；⑤ 采用 3D 培養的方式穩定移植替代物的組織細胞結構；⑥ 檢測培養后所形成的再生移植替代物，其與正常泌尿系統組織應有相同的結構和功能，并且具有一定的韌性和抗張強度[31]。傳統生物組織工程學移植替代物雖然能明顯降低復發率，但患處有可能會發生炎癥、感染、侵蝕等副作用[32]；而生物源性移植物雖有較好的生物組織相容性，但不足以維持患處的支撐力，尤其是膀胱和尿道常處于負壓狀態，更需要強大的支撐力[33]。相較于此，3D 生物打印技術不僅能通過患處組織架構精確無誤的構建患處模型，同時還能打印多種不同功能的細胞、細胞外基質、細胞生長因子以及可降解的高分子支撐材料。3D 生物打印技術甚至可以重建血管及神經，得以最大程度地實現自體組織解剖復位[34]。該方法還可根據不同患者的個體差異定制移植替代物，實現個體化精準醫療的目的。雖然目前暫無 3D 生物打印技術應用于泌尿系統修復重建的研究，但是基于此方法已應用于心臟修復[35]、盆腔修復[36]等領域取得了較為理想的研究結果，未來可以大膽設想將其應用于泌尿系統修復重建中，可能會優于現有方案。
雖然 3D 生物打印技術的優勢明顯，但是以目前的情況來看，3D 生物打印技術難以普及，主要有以下幾個因素：① 3D 生物打印制作成本普遍偏高；② 打印的原材料種子細胞的培養及獲取相對較難，需要具備豐富細胞培養經驗的技術人員操作；③ 用來打印的支撐材料不僅需要具備良好的生物組織相容性及生物力學性能，還必須要符合泌尿系統的特殊結構要求；④ 3D 數據重建必須精準無誤；⑤ 需要能保證細胞及細胞因子活性的特殊 3D 打印機及噴嘴；⑥ 要配備熟練掌握 3D 立體打印技術的操作人員。因此，要發揮出 3D 生物打印技術的優勢，使新型移植替代物應用于臨床，還需要進一步的研究積累及探索。
5 總結
總之，3D 生物打印技術是組織工程學的一種新興技術，其具有廣泛的臨床應用前景。將 3D 生物打印的移植替代物應用于泌尿系統修復重建中后，希望其可以在保證對患處組織支撐力的同時，仍然具有良好的生物組織相容性，該移植替代物將成為最接近生物體生理狀態的移植材料。這項技術一旦成熟，替換損傷的泌尿系統組織或者器官就會成為可能，這為治療人類疾病，延長人類壽命提供了新思路。3D 生物打印技術是一項多學科交叉應用技術，只有眾多學科的共同發展，才可能促使這項技術的成熟化。目前，3D 生物打印技術仍然存在一些技術難點，只有廣大研究者們不斷研究突破，才有可能將 3D 生物打印廣泛應用于臨床，給患者帶來福音。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。