引用本文： 周暢, 趙晨佳, 季靜遠, 龐媛, 孫偉. 展望個性化治療：生物3D打印與藥物篩選和遞送. 中國普外基礎與臨床雜志, 2021, 28(7): 841-845. doi: 10.7507/1007-9424.202105046 復制
個性化治療又稱個性化醫療或者精準醫療，是指以患者疾病的遺傳學信息及具體的疾病情況為指導，有針對性地制定治療方案來提高患者的治愈率和降低副作用的一種治療模式。自 2015 年“精準醫療（Precision Medicine）”計劃被提出以來，世界各國都啟動了投資巨大的個性化醫療研究專項。我國在 2016 年 3 月召開了國家首次精準醫學戰略專家會議，預計到 2030 年前將在精準醫療領域投入 600 億元。精準醫療這種治療模式，需要根據患者的身體情況與病情發展對其進行個性化的藥物篩選和藥物遞送。然而傳統的制造技術難以為藥物篩選提供高度仿生的體外模型，也難以為藥物遞送制備復雜、精確的遞送系統，而近年來出現的生物三維（three dimensional，3D）打印技術將有能力解決這些問題。
生物 3D 打印技術由增材制造技術發展而來，以用戶自由設計或醫學影像重建的 3D 模型為基礎，通過“分層-疊加”或“離散-堆積”的方式定位打印、裝配生物材料或活細胞，制造生物支架、組織器官、個性化醫療器械等生物醫學產品。目前 生物 3D 打印中常見的技術有 3 種：噴墨式 3D 打印、擠出式 3D 打印和光刻 3D 打印[1]。生物 3D 打印技術應用于個性化藥物篩選和藥物遞送有許多突出優勢[2]，如在個性化藥物篩選研究中，生物 3D 打印以患者原代細胞為材料構建的個性化 3D 組織模型可以還原體內真實組織中細胞-細胞和細胞-基質之間的相互作用，模擬組織的缺氧區域、化學和生物因子梯度分布等固有特性[3]，以提供更貼合患者實際病情的藥物篩選結果；在個性化藥物遞送研究中，生物 3D 打印能夠以層層沉積的方式選擇性地融合多種材料成分并根據患者的具體病癥、體質量指數、新陳代謝和遺傳變異來量身定制劑量，制造具有個性化釋放曲線的藥物產品等[4]。2014 年，清華大學機械工程系生物制造團隊采用自主開發的細胞 3D 打印技術，在世界上首次構建出 Hela（子宮頸腫瘤）細胞的體外 3D 腫瘤模型，證明了 3D 打印技術構建腫瘤組織模型的能力，并對腫瘤學研究、惡性腫瘤個性化治療、抗癌藥物研發等產生了重要的促進作用，英國廣播公司（BBC）對此進行了報道并稱之為“令人著迷的技術發展”。過去的十幾年中，已有超過 7 000 篇關于生物 3D 打印技術應用于藥物篩選和藥物遞送的文獻發表[5-6]，現將對其中具有代表性的研究成果進行介紹。
1 生物 3D 打印與藥物篩選
在進入臨床試驗前，目前的常規藥物篩選研究仍遵循著二維細胞試驗、動物試驗或者患者來源異種移植模型評價的順序[7]，但這種傳統藥物篩選模型存在著諸多問題，如二維細胞模型無法真實而全面地反映體內組織的情況；動物模型作為實驗對象會帶來較大的倫理問題；患者來源異種移植模型中以移植小鼠為例[8]，由于鼠源與人源性的差異而得到的藥物治療效果往往會有較大差別。因此，開發高度仿生、個性化的體外 3D 模型用于精確的、高通量的、有效的藥物篩選成為了研究熱點。下面圍繞不同組織器官的體外仿生 3D 模型的 3D 打印構建及其在藥物篩選評價中的應用展開介紹。
1.1 肺組織模型
利用生物 3D 打印技術打印細胞系或肺部活檢獲得的患者原代細胞所構建的體外仿生肺組織模型，可以評估藥物的代謝動力學和效應動力學[9]。Grigoryan 等[10]利用數學空間填充和分形拓撲算法作為一種有效的參數化方式，結合 3D 打印設計并構建了復雜的肺組織模型，通過測量進入和離開模型的血氧濃度證明其具有了肺部的氧氣轉運功能；Horváth 等[11]利用生物 3D 打印技術逐層打印肺泡細胞和血管內皮細胞開發了一種體外空氣-血液屏障模型，可以模擬肺部的氣體交換功能；Huh[12]使用 3D 打印技術構建了體外肺器官芯片，同樣模擬了肺部的氣血屏障結構，通過進行納米顆粒毒性檢測實驗并與動物模型結果比較，驗證了模型在有毒物質檢測等方面的能力。以上通過生物 3D 打印技術構建的肺組織模型具有仿生的結構和功能，并通過一定的藥物毒性測試，展現了 3D 模型作為體內組織的替代物進行體外藥物篩選的潛力。
1.2 心臟組織模型
人類誘導多能干細胞來源心肌細胞（iPSC-CMs）具有代表個體差異的潛力，在篩選個性化治療藥物方面受到青睞。目前，心臟組織可以通過多種方式進行構建[13]。Zhang 等[14]使用海藻酸鈉/凝膠復合生物墨水與內皮細胞混合，通過擠出式打印和光固化快速成形技術制備水凝膠支架并植入 iPSC-CMs，構建出了內皮化的仿生微心肌組織模型，由于常用的抗癌藥物阿霉素有一定的心臟毒性，使用該模型對阿霉素進行藥物測試的結果表明，心肌收縮頻率隨著阿霉素藥物劑量升高而降低。Ma 等[15]使用雙光子聚合 3D 打印技術制備了中空纖維，并將 iPSC-CMs 植入其中，觀察心肌細胞的收縮頻率并記錄其對硝苯地平（鈣離子通道阻滯劑）、E4031（鉀離子通道阻滯劑）、普萘洛爾（β 受體阻滯劑）等治療冠心病、心室早搏藥物的劑量反應，展現了該模型對心臟藥物篩選的潛力。
1.3 肝組織模型
肝臟對藥物的吸收和代謝起著重要作用，在過去的幾十年里，肝組織工程在藥物篩選方面取得了重大進展[16-18]。Kizawa 等[19]展示了一種無支架生物 3D 打印技術，構建了能夠穩定維持膽汁酸分泌以及藥物、葡萄糖和脂質代謝數周的肝組織，該組織中 CYP3A4 酶（與藥物代謝相關）活性可維持 2 個月；Ma 等[20]報道了利用基于數字光刻的生物 3D 打印技術構建仿生肝組織，在該模型中同樣也誘導了 CYP 酶的穩定表達。以上兩種模型均表現出較好的肝臟特異性功能和藥物代謝潛力。Yang 等[21]使用生物 3D 打印方式構建含有 HepaRG 細胞（人肝祖細胞）的 3D 結構體，并在體外分化出具有白蛋白分泌、藥物代謝、糖原儲存等功能，可媲美原代人肝的肝臟類器官；Bhise 等[22]在微流控芯片上打印肝細胞團簇構建 3D 肝組織模型，使用藥物對乙酰氨基酚對模型進行測試的結果顯示出與其他已發表數據相似的藥物毒性反應。
1.4 腎組織模型
腎臟對藥物的過濾和排泄起著重要作用，同時也會受到藥物毒性損傷，構建 3D 模型研究藥物的腎毒性對藥物篩選有重要作用。Ali 等[23]將脫細胞基質改性并與其他水凝膠材料混合組成可以進行光交聯的復合生物墨水，這種基于脫細胞基質的復合生物墨水提供了腎特異性微環境，打印的腎組織具有一定的天然腎臟結構和功能特征。腎小管是腎單位中的重要組成部分，Tr?ndle 等[24]所開發的精確定位噴墨 3D 打印技術構建了可以流通液體的仿生腎小管結構，模擬了體內真實腎小管的生理條件。Jang 等[25]通過 3D 打印技術制備微流控芯片，對腎小管細胞進行灌流培養并使用抗癌藥物順鉑處理 24 h，與靜態培養相比，灌流培養的腎細胞表現出更具代表性的藥物毒性反應。
1.5 腫瘤組織模型
腫瘤作為危害全人類健康的一種惡性疾病，針對其開發的化療、靶向[26]、免疫[27]療法等治療策略會因腫瘤的異質性和微環境的復雜性導致不同患者間的療效會有較大差距，3D 打印技術構建腫瘤組織模型并還原其微環境的能力為臨床藥物篩選提供了一個高效的研究平臺。Zhao 等[28]用明膠/海藻酸鈉/纖維蛋白原組成的復合生物墨水包裹 Hela（子宮頸腫瘤）細胞建立網格狀宮頸腫瘤模型，3D 打印腫瘤模型顯示出比二維對照模型更加模擬體內腫瘤的表型，包括基質金屬蛋白酶表達和對抗癌藥物紫杉醇的耐藥性。由海藻酸鈉/明膠/纖維蛋白原組成的復合生物墨水包裹 HepG2 細胞（肝腫瘤）經生物 3D 打印構建的肝腫瘤組織模型也被開發出來，在使用不同的抗癌藥物（如 5-氟尿嘧啶、絲裂霉素）治療后，與二維細胞模型相比，3D 模型表現出更接近體內細胞的行為[29]，這表明生物 3D 打印肝腫瘤模型在體外藥物篩選中具有更接近體內的反應。Yang 等[30]利用生物 3D 打印技術構建了皮下膠質母細胞瘤模型，模擬切除腫瘤腔，利用該模型評估定制的藥物植入到膠質母細胞瘤切除腔后，藥物對于預防膠質母細胞瘤術后復發的療效，對術后腫瘤的藥物治療提供了參考。Mao 等[31]利用患者來源的肝內膽管癌細胞和明膠/海藻酸鈉/基質膠復合生物墨水，使用生物 3D 打印構建的腫瘤結構顯示出集落形成能力，保持了高增殖率和存活率，證明了生物 3D 打印技術有能力使用患者來源的原代腫瘤細胞針對性地構建出患者個性化的腫瘤模型。
2 生物 3D 打印與藥物遞送
藥物遞送系統是指在空間、時間及劑量上全面調控藥物在生物體內分布的技術體系[32]。當面對不同性別、種族、年齡的患者時，傳統的基于群體數據所開發的藥物遞送方式已經無法滿足現階段精準化的臨床治療需求，因此，迫切需要個性化新型藥物遞送系統。在藥物遞送領域，應用生物 3D 打印技術可以制備出具有精準釋放、藥物劑量可控、多藥分布等特點的藥物制劑，以滿足個人和不同患者群體的治療需求[33]，近年來越來越受到重視。2016 年 8 月，FDA 批準了首款用于治療癲癇的生物 3D 打印片劑 Spritam?，適用于兒童、老年等吞咽困難的患者。生物 3D 打印與醫藥領域個體化醫療和聯合用藥的新理念相符，成為設計定制化藥物傳遞系統的新工具[34]。下面將根據不同的給藥途徑討論生物 3D 打印在個性化藥物遞送中的臨床治療應用。
2.1 口服劑
與傳統制藥方式相比，使用 3D 打印進行口服固體劑型制造可以實現快速制備以及優化參數。只需在計算機輔助設計模型中進行修改即可制造的靈活性是產品開發和優化的巨大優勢，這對于特定劑量或配方的個性化醫療尤為重要[6]。近年來，許多研究團隊通過改變材料組成、片劑形狀、片劑填充密度等方式構建了具有不同釋放特性的片劑。如 Beck 等[35]結合 3D 打印和納米技術，開發了包含聚合物納米膠囊，以調整其藥物劑量和藥物釋放曲線，無需改變材料的組成情況下，通過改變每個藥片的填充密度或尺寸即可實現定制化劑量，這表明 3D 打印技術在藥物高通量開發中的可行性。就患者體驗而言，當前的口服片劑對于老年和兒童難以吞咽。Yu 等[36]使用 3D 打印技術設計和制造了具有特殊內部結構特征的新型快速崩解藥物，用以遞送對乙酰氨基酚。Scoutaris 等[37]使用熔融沉積成型法 3D 打印技術開發了具有增強適口性的小兒糖果樣配方，并制得了不同形狀的劑型，體外藥物溶出度研究表明，藥物釋放與制劑的形狀無關，均在 60 min 內完成，這表明熔融沉積成型法 3D 打印可用于生產具有所需形狀和掩味的兒科劑型。
2.2 透皮給藥
通過皮膚遞送藥物日益成為一種具有吸引力的給藥方式，相比于口服制劑它可以繞過肝臟的首過效應，改善患者依從性。Goyanes 等[38]使用 3D 掃描儀獲得了志愿者的頭部和面部的計算機輔助設計模型，并使用光固化快速成形制作了包含水楊酸的個性化鼻貼，用于治療痤瘡，定制化的貼劑更加貼合患者皮膚，并且可以通過皮膚提供更精確的藥物劑量。Muwaffak 等[39]結合志愿者鼻子和耳朵的計算機輔助設計模型使用熔融沉積成型法技術打印聚己內酯個性化傷口輔料，以遞送銀離子發揮抗菌作用。基于數字光刻打印技術，Lim 等[40]使用可澆鑄樹脂 3DM-Cast 來制作個性化微針貼片，根據患者的手部模型可以設計個性化的夾板，該夾板具有貼合患者手指輪廓的獨特曲面，可以用作固定受傷的手指并通過微針輔助遞送止痛藥。
2.3 直腸或陰道給藥
與透皮給藥類似，使用栓劑、陰道環等裝置進行的直腸或陰道給藥也可實現局部或者全身的藥物遞送。Sun 等[41]基于 3D 打印技術用 3DM 澆鑄樹脂制備了不同形狀和尺寸的栓劑模具，用于遞送止痛藥，根據人體腔的形狀和大小設計相應的幾何特征，由 3D 打印制造的定制化彈性直腸或陰道栓劑可以滿足患者的不同需求。Fu 等[42]使用熔融沉積成型法 3D 打印技術構建了以聚乳酸和聚己內酯為基質的“O”“Y”或“M”形陰道環，且實現了孕酮不同的釋放行為，推動了個性化定制載藥陰道環的發展。2020 年，Zhao 等[43]通過低溫沉積的打印方式打印了具有抗 HPV 病毒蛋白的宮頸支架，可以通過對孔隙率的控制實現對載藥量和釋放曲線的個性化定制，以實現創口周圍游離 HPV 病毒的清除。
2.4 植入物給藥
通過將藥物制劑采用手術植入的方法，可以實現藥物的局部遞送，在保證療效的同時還可以降低全身毒副作用，被廣泛應用于各類疾病的治療，如腫瘤、骨組織修復、糖尿病等方面的治療。生物 3D 打印在個性化制造以及精確控制多藥分布方面具有獨特的優勢，近年來越來越多地被應用于植入型緩釋藥物的制備中[44]。與常規的壓制方法相比，3D 打印的載藥植入物可以實現復雜的釋放模式以及適合患者身體的正確解剖結構的形狀特征[45]。2017 年，Guerra 等[46]制備了新型 PCL-石墨烯復合材料，基于 3D 打印技術構建了載藥的個性化冠狀動脈支架，以實現抗凝劑和抗再狹窄劑的雙重可控釋放，并驗證了其在離體豬心臟移植中的可行性。Fouladian 等[47]以聚碳酸酯基硅酮彈性體作為載體，使用熔融沉積成型法工藝打印了裝有化療藥物（5-氟尿嘧啶）的個性化食管支架，在向食管惡性腫瘤組織持續釋放藥物的同時還可以緩解患者吞咽困難的癥狀。基于熔融沉積成型法以及光固化快速成形技術，Benmassaoud 等[48]使用聚己內酯、聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯與萬古霉素的混合物打印了個性化的股骨植入物研究的結果表明，該植入物可以通過控釋抗生素的方式預防植入物部位的感染。
3 小結與展望
筆者通過介紹許多典型案例了解到了目前生物 3D 打印技術在藥物篩選和遞送方面取得的成果和進步，展現出了生物 3D 打印技術構建復雜組織模型及新型藥物遞送系統的能力，顯示了其在個性化治療方面的巨大應用潛力。
生物 3D 打印技術構建用于藥物篩選的體外組織模型的優勢在于能夠精確定位生物材料和活細胞、重建復雜模型結構、再現體內組織中細胞-細胞和細胞-基質間的相互作用以及各種生化因子梯度分布，這些優點使得體外組織模型更加仿生、藥物篩選的結果更加貼近體內組織的真實生理情況。生物 3D 打印技術構建的藥物遞送系統的優勢在于能夠實現藥物濃度梯度連續、精準地分布，實現藥物制劑的個性化劑量、多樣化外形和復雜化結構，對藥物制劑進行多成分組合、多模式釋放和多維度控制，這些特性增加了藥物制劑的科學性、精準性、復雜性，為聯合用藥、個性化醫療提供了基礎技術支持。
但是用于構建體外組織模型的 3D 生物打印的工藝、細胞來源和生物墨水材料仍然面臨挑戰，其中包括打印分辨率、打印速度的優化與改良、患者特異性細胞來源（包括人 iPSC 來源的細胞和患者的原發性病變細胞的獲取與使用、更接近真實的細胞外基質的生物墨水材料的開發）等[49]。用于藥物遞送系統開發的 3D 生物打印技術也存在著局限性，例如打印劑型的有效性與安全性、打印過程的質量控制與滅菌等。在產品轉化方面，監管機構還需要對技術細節和產品審查途徑有更加透徹的了解和明確的法律監管。只有克服了 3D 生物打印在臨床給藥實踐中的主要障礙之后才能實現其在醫療保健領域的真正潛力[50]。
總之，3D 生物打印技術推動了個性化藥物篩選和藥物遞送的發展，雖然還面臨著許多挑戰，但機遇與挑戰并存。國務院印發的《中國制造 2025》中提出要“實現 3D 生物打印、誘導多能干細胞等新技術的突破和應用”，因此，在這寶貴的發展機遇下，通過眾多科研工作者的共同努力，3D 生物 打印技術必將推動我國醫療事業的發展，造福更多的患者。
個性化治療又稱個性化醫療或者精準醫療，是指以患者疾病的遺傳學信息及具體的疾病情況為指導，有針對性地制定治療方案來提高患者的治愈率和降低副作用的一種治療模式。自 2015 年“精準醫療（Precision Medicine）”計劃被提出以來，世界各國都啟動了投資巨大的個性化醫療研究專項。我國在 2016 年 3 月召開了國家首次精準醫學戰略專家會議，預計到 2030 年前將在精準醫療領域投入 600 億元。精準醫療這種治療模式，需要根據患者的身體情況與病情發展對其進行個性化的藥物篩選和藥物遞送。然而傳統的制造技術難以為藥物篩選提供高度仿生的體外模型，也難以為藥物遞送制備復雜、精確的遞送系統，而近年來出現的生物三維（three dimensional，3D）打印技術將有能力解決這些問題。
生物 3D 打印技術由增材制造技術發展而來，以用戶自由設計或醫學影像重建的 3D 模型為基礎，通過“分層-疊加”或“離散-堆積”的方式定位打印、裝配生物材料或活細胞，制造生物支架、組織器官、個性化醫療器械等生物醫學產品。目前 生物 3D 打印中常見的技術有 3 種：噴墨式 3D 打印、擠出式 3D 打印和光刻 3D 打印[1]。生物 3D 打印技術應用于個性化藥物篩選和藥物遞送有許多突出優勢[2]，如在個性化藥物篩選研究中，生物 3D 打印以患者原代細胞為材料構建的個性化 3D 組織模型可以還原體內真實組織中細胞-細胞和細胞-基質之間的相互作用，模擬組織的缺氧區域、化學和生物因子梯度分布等固有特性[3]，以提供更貼合患者實際病情的藥物篩選結果；在個性化藥物遞送研究中，生物 3D 打印能夠以層層沉積的方式選擇性地融合多種材料成分并根據患者的具體病癥、體質量指數、新陳代謝和遺傳變異來量身定制劑量，制造具有個性化釋放曲線的藥物產品等[4]。2014 年，清華大學機械工程系生物制造團隊采用自主開發的細胞 3D 打印技術，在世界上首次構建出 Hela（子宮頸腫瘤）細胞的體外 3D 腫瘤模型，證明了 3D 打印技術構建腫瘤組織模型的能力，并對腫瘤學研究、惡性腫瘤個性化治療、抗癌藥物研發等產生了重要的促進作用，英國廣播公司（BBC）對此進行了報道并稱之為“令人著迷的技術發展”。過去的十幾年中，已有超過 7 000 篇關于生物 3D 打印技術應用于藥物篩選和藥物遞送的文獻發表[5-6]，現將對其中具有代表性的研究成果進行介紹。
1 生物 3D 打印與藥物篩選
在進入臨床試驗前，目前的常規藥物篩選研究仍遵循著二維細胞試驗、動物試驗或者患者來源異種移植模型評價的順序[7]，但這種傳統藥物篩選模型存在著諸多問題，如二維細胞模型無法真實而全面地反映體內組織的情況；動物模型作為實驗對象會帶來較大的倫理問題；患者來源異種移植模型中以移植小鼠為例[8]，由于鼠源與人源性的差異而得到的藥物治療效果往往會有較大差別。因此，開發高度仿生、個性化的體外 3D 模型用于精確的、高通量的、有效的藥物篩選成為了研究熱點。下面圍繞不同組織器官的體外仿生 3D 模型的 3D 打印構建及其在藥物篩選評價中的應用展開介紹。
1.1 肺組織模型
利用生物 3D 打印技術打印細胞系或肺部活檢獲得的患者原代細胞所構建的體外仿生肺組織模型，可以評估藥物的代謝動力學和效應動力學[9]。Grigoryan 等[10]利用數學空間填充和分形拓撲算法作為一種有效的參數化方式，結合 3D 打印設計并構建了復雜的肺組織模型，通過測量進入和離開模型的血氧濃度證明其具有了肺部的氧氣轉運功能；Horváth 等[11]利用生物 3D 打印技術逐層打印肺泡細胞和血管內皮細胞開發了一種體外空氣-血液屏障模型，可以模擬肺部的氣體交換功能；Huh[12]使用 3D 打印技術構建了體外肺器官芯片，同樣模擬了肺部的氣血屏障結構，通過進行納米顆粒毒性檢測實驗并與動物模型結果比較，驗證了模型在有毒物質檢測等方面的能力。以上通過生物 3D 打印技術構建的肺組織模型具有仿生的結構和功能，并通過一定的藥物毒性測試，展現了 3D 模型作為體內組織的替代物進行體外藥物篩選的潛力。
1.2 心臟組織模型
人類誘導多能干細胞來源心肌細胞（iPSC-CMs）具有代表個體差異的潛力，在篩選個性化治療藥物方面受到青睞。目前，心臟組織可以通過多種方式進行構建[13]。Zhang 等[14]使用海藻酸鈉/凝膠復合生物墨水與內皮細胞混合，通過擠出式打印和光固化快速成形技術制備水凝膠支架并植入 iPSC-CMs，構建出了內皮化的仿生微心肌組織模型，由于常用的抗癌藥物阿霉素有一定的心臟毒性，使用該模型對阿霉素進行藥物測試的結果表明，心肌收縮頻率隨著阿霉素藥物劑量升高而降低。Ma 等[15]使用雙光子聚合 3D 打印技術制備了中空纖維，并將 iPSC-CMs 植入其中，觀察心肌細胞的收縮頻率并記錄其對硝苯地平（鈣離子通道阻滯劑）、E4031（鉀離子通道阻滯劑）、普萘洛爾（β 受體阻滯劑）等治療冠心病、心室早搏藥物的劑量反應，展現了該模型對心臟藥物篩選的潛力。
1.3 肝組織模型
肝臟對藥物的吸收和代謝起著重要作用，在過去的幾十年里，肝組織工程在藥物篩選方面取得了重大進展[16-18]。Kizawa 等[19]展示了一種無支架生物 3D 打印技術，構建了能夠穩定維持膽汁酸分泌以及藥物、葡萄糖和脂質代謝數周的肝組織，該組織中 CYP3A4 酶（與藥物代謝相關）活性可維持 2 個月；Ma 等[20]報道了利用基于數字光刻的生物 3D 打印技術構建仿生肝組織，在該模型中同樣也誘導了 CYP 酶的穩定表達。以上兩種模型均表現出較好的肝臟特異性功能和藥物代謝潛力。Yang 等[21]使用生物 3D 打印方式構建含有 HepaRG 細胞（人肝祖細胞）的 3D 結構體，并在體外分化出具有白蛋白分泌、藥物代謝、糖原儲存等功能，可媲美原代人肝的肝臟類器官；Bhise 等[22]在微流控芯片上打印肝細胞團簇構建 3D 肝組織模型，使用藥物對乙酰氨基酚對模型進行測試的結果顯示出與其他已發表數據相似的藥物毒性反應。
1.4 腎組織模型
腎臟對藥物的過濾和排泄起著重要作用，同時也會受到藥物毒性損傷，構建 3D 模型研究藥物的腎毒性對藥物篩選有重要作用。Ali 等[23]將脫細胞基質改性并與其他水凝膠材料混合組成可以進行光交聯的復合生物墨水，這種基于脫細胞基質的復合生物墨水提供了腎特異性微環境，打印的腎組織具有一定的天然腎臟結構和功能特征。腎小管是腎單位中的重要組成部分，Tr?ndle 等[24]所開發的精確定位噴墨 3D 打印技術構建了可以流通液體的仿生腎小管結構，模擬了體內真實腎小管的生理條件。Jang 等[25]通過 3D 打印技術制備微流控芯片，對腎小管細胞進行灌流培養并使用抗癌藥物順鉑處理 24 h，與靜態培養相比，灌流培養的腎細胞表現出更具代表性的藥物毒性反應。
1.5 腫瘤組織模型
腫瘤作為危害全人類健康的一種惡性疾病，針對其開發的化療、靶向[26]、免疫[27]療法等治療策略會因腫瘤的異質性和微環境的復雜性導致不同患者間的療效會有較大差距，3D 打印技術構建腫瘤組織模型并還原其微環境的能力為臨床藥物篩選提供了一個高效的研究平臺。Zhao 等[28]用明膠/海藻酸鈉/纖維蛋白原組成的復合生物墨水包裹 Hela（子宮頸腫瘤）細胞建立網格狀宮頸腫瘤模型，3D 打印腫瘤模型顯示出比二維對照模型更加模擬體內腫瘤的表型，包括基質金屬蛋白酶表達和對抗癌藥物紫杉醇的耐藥性。由海藻酸鈉/明膠/纖維蛋白原組成的復合生物墨水包裹 HepG2 細胞（肝腫瘤）經生物 3D 打印構建的肝腫瘤組織模型也被開發出來，在使用不同的抗癌藥物（如 5-氟尿嘧啶、絲裂霉素）治療后，與二維細胞模型相比，3D 模型表現出更接近體內細胞的行為[29]，這表明生物 3D 打印肝腫瘤模型在體外藥物篩選中具有更接近體內的反應。Yang 等[30]利用生物 3D 打印技術構建了皮下膠質母細胞瘤模型，模擬切除腫瘤腔，利用該模型評估定制的藥物植入到膠質母細胞瘤切除腔后，藥物對于預防膠質母細胞瘤術后復發的療效，對術后腫瘤的藥物治療提供了參考。Mao 等[31]利用患者來源的肝內膽管癌細胞和明膠/海藻酸鈉/基質膠復合生物墨水，使用生物 3D 打印構建的腫瘤結構顯示出集落形成能力，保持了高增殖率和存活率，證明了生物 3D 打印技術有能力使用患者來源的原代腫瘤細胞針對性地構建出患者個性化的腫瘤模型。
2 生物 3D 打印與藥物遞送
藥物遞送系統是指在空間、時間及劑量上全面調控藥物在生物體內分布的技術體系[32]。當面對不同性別、種族、年齡的患者時，傳統的基于群體數據所開發的藥物遞送方式已經無法滿足現階段精準化的臨床治療需求，因此，迫切需要個性化新型藥物遞送系統。在藥物遞送領域，應用生物 3D 打印技術可以制備出具有精準釋放、藥物劑量可控、多藥分布等特點的藥物制劑，以滿足個人和不同患者群體的治療需求[33]，近年來越來越受到重視。2016 年 8 月，FDA 批準了首款用于治療癲癇的生物 3D 打印片劑 Spritam?，適用于兒童、老年等吞咽困難的患者。生物 3D 打印與醫藥領域個體化醫療和聯合用藥的新理念相符，成為設計定制化藥物傳遞系統的新工具[34]。下面將根據不同的給藥途徑討論生物 3D 打印在個性化藥物遞送中的臨床治療應用。
2.1 口服劑
與傳統制藥方式相比，使用 3D 打印進行口服固體劑型制造可以實現快速制備以及優化參數。只需在計算機輔助設計模型中進行修改即可制造的靈活性是產品開發和優化的巨大優勢，這對于特定劑量或配方的個性化醫療尤為重要[6]。近年來，許多研究團隊通過改變材料組成、片劑形狀、片劑填充密度等方式構建了具有不同釋放特性的片劑。如 Beck 等[35]結合 3D 打印和納米技術，開發了包含聚合物納米膠囊，以調整其藥物劑量和藥物釋放曲線，無需改變材料的組成情況下，通過改變每個藥片的填充密度或尺寸即可實現定制化劑量，這表明 3D 打印技術在藥物高通量開發中的可行性。就患者體驗而言，當前的口服片劑對于老年和兒童難以吞咽。Yu 等[36]使用 3D 打印技術設計和制造了具有特殊內部結構特征的新型快速崩解藥物，用以遞送對乙酰氨基酚。Scoutaris 等[37]使用熔融沉積成型法 3D 打印技術開發了具有增強適口性的小兒糖果樣配方，并制得了不同形狀的劑型，體外藥物溶出度研究表明，藥物釋放與制劑的形狀無關，均在 60 min 內完成，這表明熔融沉積成型法 3D 打印可用于生產具有所需形狀和掩味的兒科劑型。
2.2 透皮給藥
通過皮膚遞送藥物日益成為一種具有吸引力的給藥方式，相比于口服制劑它可以繞過肝臟的首過效應，改善患者依從性。Goyanes 等[38]使用 3D 掃描儀獲得了志愿者的頭部和面部的計算機輔助設計模型，并使用光固化快速成形制作了包含水楊酸的個性化鼻貼，用于治療痤瘡，定制化的貼劑更加貼合患者皮膚，并且可以通過皮膚提供更精確的藥物劑量。Muwaffak 等[39]結合志愿者鼻子和耳朵的計算機輔助設計模型使用熔融沉積成型法技術打印聚己內酯個性化傷口輔料，以遞送銀離子發揮抗菌作用。基于數字光刻打印技術，Lim 等[40]使用可澆鑄樹脂 3DM-Cast 來制作個性化微針貼片，根據患者的手部模型可以設計個性化的夾板，該夾板具有貼合患者手指輪廓的獨特曲面，可以用作固定受傷的手指并通過微針輔助遞送止痛藥。
2.3 直腸或陰道給藥
與透皮給藥類似，使用栓劑、陰道環等裝置進行的直腸或陰道給藥也可實現局部或者全身的藥物遞送。Sun 等[41]基于 3D 打印技術用 3DM 澆鑄樹脂制備了不同形狀和尺寸的栓劑模具，用于遞送止痛藥，根據人體腔的形狀和大小設計相應的幾何特征，由 3D 打印制造的定制化彈性直腸或陰道栓劑可以滿足患者的不同需求。Fu 等[42]使用熔融沉積成型法 3D 打印技術構建了以聚乳酸和聚己內酯為基質的“O”“Y”或“M”形陰道環，且實現了孕酮不同的釋放行為，推動了個性化定制載藥陰道環的發展。2020 年，Zhao 等[43]通過低溫沉積的打印方式打印了具有抗 HPV 病毒蛋白的宮頸支架，可以通過對孔隙率的控制實現對載藥量和釋放曲線的個性化定制，以實現創口周圍游離 HPV 病毒的清除。
2.4 植入物給藥
通過將藥物制劑采用手術植入的方法，可以實現藥物的局部遞送，在保證療效的同時還可以降低全身毒副作用，被廣泛應用于各類疾病的治療，如腫瘤、骨組織修復、糖尿病等方面的治療。生物 3D 打印在個性化制造以及精確控制多藥分布方面具有獨特的優勢，近年來越來越多地被應用于植入型緩釋藥物的制備中[44]。與常規的壓制方法相比，3D 打印的載藥植入物可以實現復雜的釋放模式以及適合患者身體的正確解剖結構的形狀特征[45]。2017 年，Guerra 等[46]制備了新型 PCL-石墨烯復合材料，基于 3D 打印技術構建了載藥的個性化冠狀動脈支架，以實現抗凝劑和抗再狹窄劑的雙重可控釋放，并驗證了其在離體豬心臟移植中的可行性。Fouladian 等[47]以聚碳酸酯基硅酮彈性體作為載體，使用熔融沉積成型法工藝打印了裝有化療藥物（5-氟尿嘧啶）的個性化食管支架，在向食管惡性腫瘤組織持續釋放藥物的同時還可以緩解患者吞咽困難的癥狀。基于熔融沉積成型法以及光固化快速成形技術，Benmassaoud 等[48]使用聚己內酯、聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯與萬古霉素的混合物打印了個性化的股骨植入物研究的結果表明，該植入物可以通過控釋抗生素的方式預防植入物部位的感染。
3 小結與展望
筆者通過介紹許多典型案例了解到了目前生物 3D 打印技術在藥物篩選和遞送方面取得的成果和進步，展現出了生物 3D 打印技術構建復雜組織模型及新型藥物遞送系統的能力，顯示了其在個性化治療方面的巨大應用潛力。
生物 3D 打印技術構建用于藥物篩選的體外組織模型的優勢在于能夠精確定位生物材料和活細胞、重建復雜模型結構、再現體內組織中細胞-細胞和細胞-基質間的相互作用以及各種生化因子梯度分布，這些優點使得體外組織模型更加仿生、藥物篩選的結果更加貼近體內組織的真實生理情況。生物 3D 打印技術構建的藥物遞送系統的優勢在于能夠實現藥物濃度梯度連續、精準地分布，實現藥物制劑的個性化劑量、多樣化外形和復雜化結構，對藥物制劑進行多成分組合、多模式釋放和多維度控制，這些特性增加了藥物制劑的科學性、精準性、復雜性，為聯合用藥、個性化醫療提供了基礎技術支持。
但是用于構建體外組織模型的 3D 生物打印的工藝、細胞來源和生物墨水材料仍然面臨挑戰，其中包括打印分辨率、打印速度的優化與改良、患者特異性細胞來源（包括人 iPSC 來源的細胞和患者的原發性病變細胞的獲取與使用、更接近真實的細胞外基質的生物墨水材料的開發）等[49]。用于藥物遞送系統開發的 3D 生物打印技術也存在著局限性，例如打印劑型的有效性與安全性、打印過程的質量控制與滅菌等。在產品轉化方面，監管機構還需要對技術細節和產品審查途徑有更加透徹的了解和明確的法律監管。只有克服了 3D 生物打印在臨床給藥實踐中的主要障礙之后才能實現其在醫療保健領域的真正潛力[50]。
總之，3D 生物打印技術推動了個性化藥物篩選和藥物遞送的發展，雖然還面臨著許多挑戰，但機遇與挑戰并存。國務院印發的《中國制造 2025》中提出要“實現 3D 生物打印、誘導多能干細胞等新技術的突破和應用”，因此，在這寶貴的發展機遇下，通過眾多科研工作者的共同努力，3D 生物 打印技術必將推動我國醫療事業的發展，造福更多的患者。