三维（3D）生物打印是近年来新兴的一项生物组织工程学技术，其发展有利于解决目前临床组织器官修复的问题。本文就 3D 生物打印和泌尿系统修复重建的临床与研究现状进行回顾，并展望 3D 生物打印应用于泌尿系统修复重建中的可行性与临床价值。
引用本文： 宫丽娜, 金熙, 李虹, 王坤杰. 三维生物打印在泌尿系统修复重建中的应用及展望. 生物医学工程学杂志, 2020, 37(2): 207-210. doi: 10.7507/1001-5515.201912016 复制
引言
三维（three dimensional，3D）生物打印是指利用计算机断层扫描（computedtomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像学技术以及计算机辅助技术虚拟构建出所需物体的空间结构，然后使用相关复合材料，按照特定的模式一层一层地沉积打印出实体的一种组织工程学技术[1]。3D 生物打印技术是一项多学科交叉应用技术，基于组织工程学、材料科学、细胞生物学、计算机技术等学科的交叉融合而不断发展。随着 3D 生物打印技术的不断进步，自体组织器官再生逐渐成为可能，为广大相关患者带来了希望。本文基于泌尿系统修复重建手术现状进行分析讨论，并探讨如何运用 3D 生物打印技术解决泌尿系统修复重建中存在的问题。
1 泌尿系统修复重建的现状
外伤、肿瘤、炎症、先天畸形、分娩损伤和衰老等因素都可能导致泌尿系统组织的结构和功能缺失，需要通过手术来进行修复和重建[2]。泌尿系统修复重建手术区别于毁损性手术，它难度大、风险高、成功率低、并发症发生率高。此外，有一些组织缺失严重的患者，还需要进一步通过移植物来进行组织修复[3]。临床常用的泌尿系统修复移植物一般来源于自体泌尿系统组织、自体非泌尿系统组织以及组织工程学替代物。例如，自体口腔颊黏膜和舌黏膜移植修补术适用于近段尿道下裂患者，在丰富的手术经验基础上，患者术后一年以上并发症的发生率只有 16%[4]。此外，在组织工程学方向，针对脱细胞基质和人工生物可降解材料的研究也取得了一系列进展。有研究者把接种了自体间充质干细胞的脱细胞基质用于修复家兔尿道的缺失部分，体内实验显示，16 周后在移植物中发现了新生血管和平滑肌束，并且无尿道狭窄现象[5]。又有研究表明，可在膀胱修补术后的膀胱灌洗液中检出植入的生物可降解材料成分，并且在植入第 50 d 时发现移植物内有大量细胞集落形成[6]。
基于国内外的众多研究，虽然目前针对泌尿系统修复重建的方法已有了初步探索，但是对于大面积或者长度在 5 cm 以上的尿路修复，现有的各种方法仍然存在一些缺陷[7]。例如，自体组织移植物会造成机体二次损伤，而组织工程学替代物也有易造成机体感染、促使炎症发生、生物相容性差以及导致慢性疼痛等风险，因此泌尿系统修复重建手术中所用的修复材料有待进一步优化。
2 生物组织工程学在泌尿系统修复中的应用及现状
人体组织器官损伤的修复，尤其是不可再生组织，一直是困扰众多研究者的医学难题之一。不断发展的生物组织工程学为医学研究者们开辟了一条新思路。随着人造血管、人造瓣膜以及人造骨等广泛应用[8-10]，对于人造生物材料替代物的研究也逐渐增多了起来。人造生物材料替代物最初是由生物可降解的聚合材料为基础，如聚乙醇酸（poly glycolic acid，PGA）、聚乳酸（poly lactic acid，PLA）和聚乳酸聚乙醇酸复合物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等。此类聚合物不仅具有良好的生物相容性，有利于促进组织细胞再生，还可以给修复部位提供相应的力学支撑，并能随自体组织的生长而逐渐降解[11-13]。目前，这些材料已获得美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的批准用于临床，并被广泛地应用于口腔、骨等组织。有研究证明在牙周组织缺陷的治疗中使用 PLA/PLGA 复合材料的网带支架，支架于 6～8 周后发生降解，这种支撑力强大的材料，给牙周组织再生提供了充足的时间[14]。另外，有学者用湿纺 PLGA 材料的方法做成了纤维骨支架，这种支架有利于骨质的恢复和再生[15]。PLGA 材料还可以制作成携带细胞因子的纳米粒子，研究者将其喷到损伤的牙龈组织上，便可以促使牙龈上皮细胞增殖，促进损伤牙龈的恢复[16]。2009 年 Eberli 等[17]采用聚羟基乙酸-胶原支架复合膀胱细胞进行膀胱替代研究，结果显示该支架复合细胞的方式使膀胱顺应性增加、膀胱容量增加，该结果使得此研究具有里程碑的意义。尽管目前的研究证明了组织工程膀胱能安全地植入体内，并且该手术也取得了一定的效果，但是对于膀胱的修复仍旧处于结构和功能化修复的最初步探索阶段。另外，结合泌尿系统修复的特殊要求，Xu 等[18]研发出新型聚氨酯高分子材料，通过调节成分比例，可控制修复材料的生物降解速度，并且通过调节材料特性可招募自体细胞黏附定植，在促进细胞生长的同时达到抑菌的目的。
由于对移植替代物的生物组织相容性、降解速率以及患处拟合度等要求越来越高，单纯的脱细胞基质或者脱细胞基质联合人造合成材料的复合替代物已经不能满足临床需求。因此，需要研制出一种新型移植替代物，既具有良好的生物组织相容性和高拟合度，又可以对损伤部位提供一定程度的支撑力。
3 3D 生物打印技术的发展
3D 打印技术是近年发展起来的一项新技术，其应用广泛，包括航天、工程学、材料科学、物理研究等各个领域。3D 打印技术最早出现在 1984 年，是利用一种紫外光固化材料施行分层打印，最后形成一个实体化的三维结构，这种方法叫做立体光固化成型法（stereo lithography apparatus，SLA）[19]。随着技术的发展，3D 打印也越来越多地应用于医学生物组织工程学。最初的 3D 打印技术被用于打印患者患处的支架；或打印出生物组织模型，给医学研究和临床治疗提供参考[20-21]。随着 3D 打印技术、材料科学和基础医学的发展，越来越多的研究团队研制出各种具有生物活性的生物墨水，包括：种子细胞、细胞因子、生物支撑材料以及适宜细胞打印的喷嘴[22-23]，3D 生物打印技术便逐渐被广泛应用于医学的各大领域中。3D 生物打印技术主要分为 4 个步骤：① 运用影像学技术结合计算机编码复刻出组织器官虚拟模型；② 运用病理图像技术，比如激光共聚焦的组织厚片染色来进行组织细微结构的 3D 重建，以此来充实完善虚拟组织器官的细胞构成情况；③ 用装配了相应生物墨水的 3D 打印机逐层打印出虚拟组织器官，使其实物化；④ 培养并检测所得到的组织器官的生物稳定性及活性。3D 生物打印移植替代物修复患处，相较于生物源性移植物和传统组织工程学替代物的优势在于与患处高度的拟合度、较低的排异反应和在患处良好的支撑力度。近年来，有研究团队选择甲基丙烯酸化型胶原（methacrylated type I collagen）和海藻酸钠（sodium alginate）作为细胞基质，用角膜基质细胞作为种子细胞，运用 3D 打印技术成功复刻出患者的眼角膜[24]。另有研究证明，藻酸盐生物墨水具有稳定的打印特性，其可从阵列式打印喷头（XJ-128，Xaar Inc.，英国）稳定喷射，在保证了细胞密度的同时，还维持了细胞增殖分化的能力[10]。目前在临床研究中，3D 生物打印已应用于多种人体器官的修复，例如：骨、软骨、皮肤和血管等[25-26]。
3D 生物打印的技术难点在于生物支撑材料的选择和维持特定组织细胞的活性。生物支持材料不降解或者降解过慢会造成组织相容性差以及排异反应，降解速度过快会导致支撑能力差，患处复发等问题[27]。因此，研制出适合的生物支撑材料和基质成分的同时，保护好喷射打印细胞的活性则成为了研究者们需探索解决的难题。
4 探索泌尿系统修复重建新方法
目前，国内外暂无 3D 生物打印移植替代物用于泌尿系统修复重建中的研究报道。随着 3D 生物打印技术在人体多种器官修复中的不断研究，这种方法或许可以成为膀胱和尿道修复工程的新策略。3D 生物打印移植替代物用于泌尿系统修复重建的这种方法可分为以下几步：① 利用患者自体细胞，例如骨髓间充质干细胞[28]和脂肪干细胞[29]等，作为种子细胞进行体外扩增培养，并诱导分化成为患处所需成熟泌尿系统细胞；② 使用海藻酸钠、胶原等人造细胞基质包裹细胞，并且从中去除可能引起排斥反应的细胞成分[30]；③ 联合无创影像学技术、病理图像技术与计算机虚拟技术，构建出细致的患处缺损组织结构；④ 应用安装了多喷嘴的 3D 打印设备，每种组分采用单独喷嘴、多喷嘴配合同时打印，逐层构建出所需移植替代物；⑤ 采用 3D 培养的方式稳定移植替代物的组织细胞结构；⑥ 检测培养后所形成的再生移植替代物，其与正常泌尿系统组织应有相同的结构和功能，并且具有一定的韧性和抗张强度[31]。传统生物组织工程学移植替代物虽然能明显降低复发率，但患处有可能会发生炎症、感染、侵蚀等副作用[32]；而生物源性移植物虽有较好的生物组织相容性，但不足以维持患处的支撑力，尤其是膀胱和尿道常处于负压状态，更需要强大的支撑力[33]。相较于此，3D 生物打印技术不仅能通过患处组织架构精确无误的构建患处模型，同时还能打印多种不同功能的细胞、细胞外基质、细胞生长因子以及可降解的高分子支撑材料。3D 生物打印技术甚至可以重建血管及神经，得以最大程度地实现自体组织解剖复位[34]。该方法还可根据不同患者的个体差异定制移植替代物，实现个体化精准医疗的目的。虽然目前暂无 3D 生物打印技术应用于泌尿系统修复重建的研究，但是基于此方法已应用于心脏修复[35]、盆腔修复[36]等领域取得了较为理想的研究结果，未来可以大胆设想将其应用于泌尿系统修复重建中，可能会优于现有方案。
虽然 3D 生物打印技术的优势明显，但是以目前的情况来看，3D 生物打印技术难以普及，主要有以下几个因素：① 3D 生物打印制作成本普遍偏高；② 打印的原材料种子细胞的培养及获取相对较难，需要具备丰富细胞培养经验的技术人员操作；③ 用来打印的支撑材料不仅需要具备良好的生物组织相容性及生物力学性能，还必须要符合泌尿系统的特殊结构要求；④ 3D 数据重建必须精准无误；⑤ 需要能保证细胞及细胞因子活性的特殊 3D 打印机及喷嘴；⑥ 要配备熟练掌握 3D 立体打印技术的操作人员。因此，要发挥出 3D 生物打印技术的优势，使新型移植替代物应用于临床，还需要进一步的研究积累及探索。
5 总结
总之，3D 生物打印技术是组织工程学的一种新兴技术，其具有广泛的临床应用前景。将 3D 生物打印的移植替代物应用于泌尿系统修复重建中后，希望其可以在保证对患处组织支撑力的同时，仍然具有良好的生物组织相容性，该移植替代物将成为最接近生物体生理状态的移植材料。这项技术一旦成熟，替换损伤的泌尿系统组织或者器官就会成为可能，这为治疗人类疾病，延长人类寿命提供了新思路。3D 生物打印技术是一项多学科交叉应用技术，只有众多学科的共同发展，才可能促使这项技术的成熟化。目前，3D 生物打印技术仍然存在一些技术难点，只有广大研究者们不断研究突破，才有可能将 3D 生物打印广泛应用于临床，给患者带来福音。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
引言
三维（three dimensional，3D）生物打印是指利用计算机断层扫描（computedtomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像学技术以及计算机辅助技术虚拟构建出所需物体的空间结构，然后使用相关复合材料，按照特定的模式一层一层地沉积打印出实体的一种组织工程学技术[1]。3D 生物打印技术是一项多学科交叉应用技术，基于组织工程学、材料科学、细胞生物学、计算机技术等学科的交叉融合而不断发展。随着 3D 生物打印技术的不断进步，自体组织器官再生逐渐成为可能，为广大相关患者带来了希望。本文基于泌尿系统修复重建手术现状进行分析讨论，并探讨如何运用 3D 生物打印技术解决泌尿系统修复重建中存在的问题。
1 泌尿系统修复重建的现状
外伤、肿瘤、炎症、先天畸形、分娩损伤和衰老等因素都可能导致泌尿系统组织的结构和功能缺失，需要通过手术来进行修复和重建[2]。泌尿系统修复重建手术区别于毁损性手术，它难度大、风险高、成功率低、并发症发生率高。此外，有一些组织缺失严重的患者，还需要进一步通过移植物来进行组织修复[3]。临床常用的泌尿系统修复移植物一般来源于自体泌尿系统组织、自体非泌尿系统组织以及组织工程学替代物。例如，自体口腔颊黏膜和舌黏膜移植修补术适用于近段尿道下裂患者，在丰富的手术经验基础上，患者术后一年以上并发症的发生率只有 16%[4]。此外，在组织工程学方向，针对脱细胞基质和人工生物可降解材料的研究也取得了一系列进展。有研究者把接种了自体间充质干细胞的脱细胞基质用于修复家兔尿道的缺失部分，体内实验显示，16 周后在移植物中发现了新生血管和平滑肌束，并且无尿道狭窄现象[5]。又有研究表明，可在膀胱修补术后的膀胱灌洗液中检出植入的生物可降解材料成分，并且在植入第 50 d 时发现移植物内有大量细胞集落形成[6]。
基于国内外的众多研究，虽然目前针对泌尿系统修复重建的方法已有了初步探索，但是对于大面积或者长度在 5 cm 以上的尿路修复，现有的各种方法仍然存在一些缺陷[7]。例如，自体组织移植物会造成机体二次损伤，而组织工程学替代物也有易造成机体感染、促使炎症发生、生物相容性差以及导致慢性疼痛等风险，因此泌尿系统修复重建手术中所用的修复材料有待进一步优化。
2 生物组织工程学在泌尿系统修复中的应用及现状
人体组织器官损伤的修复，尤其是不可再生组织，一直是困扰众多研究者的医学难题之一。不断发展的生物组织工程学为医学研究者们开辟了一条新思路。随着人造血管、人造瓣膜以及人造骨等广泛应用[8-10]，对于人造生物材料替代物的研究也逐渐增多了起来。人造生物材料替代物最初是由生物可降解的聚合材料为基础，如聚乙醇酸（poly glycolic acid，PGA）、聚乳酸（poly lactic acid，PLA）和聚乳酸聚乙醇酸复合物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等。此类聚合物不仅具有良好的生物相容性，有利于促进组织细胞再生，还可以给修复部位提供相应的力学支撑，并能随自体组织的生长而逐渐降解[11-13]。目前，这些材料已获得美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的批准用于临床，并被广泛地应用于口腔、骨等组织。有研究证明在牙周组织缺陷的治疗中使用 PLA/PLGA 复合材料的网带支架，支架于 6～8 周后发生降解，这种支撑力强大的材料，给牙周组织再生提供了充足的时间[14]。另外，有学者用湿纺 PLGA 材料的方法做成了纤维骨支架，这种支架有利于骨质的恢复和再生[15]。PLGA 材料还可以制作成携带细胞因子的纳米粒子，研究者将其喷到损伤的牙龈组织上，便可以促使牙龈上皮细胞增殖，促进损伤牙龈的恢复[16]。2009 年 Eberli 等[17]采用聚羟基乙酸-胶原支架复合膀胱细胞进行膀胱替代研究，结果显示该支架复合细胞的方式使膀胱顺应性增加、膀胱容量增加，该结果使得此研究具有里程碑的意义。尽管目前的研究证明了组织工程膀胱能安全地植入体内，并且该手术也取得了一定的效果，但是对于膀胱的修复仍旧处于结构和功能化修复的最初步探索阶段。另外，结合泌尿系统修复的特殊要求，Xu 等[18]研发出新型聚氨酯高分子材料，通过调节成分比例，可控制修复材料的生物降解速度，并且通过调节材料特性可招募自体细胞黏附定植，在促进细胞生长的同时达到抑菌的目的。
由于对移植替代物的生物组织相容性、降解速率以及患处拟合度等要求越来越高，单纯的脱细胞基质或者脱细胞基质联合人造合成材料的复合替代物已经不能满足临床需求。因此，需要研制出一种新型移植替代物，既具有良好的生物组织相容性和高拟合度，又可以对损伤部位提供一定程度的支撑力。
3 3D 生物打印技术的发展
3D 打印技术是近年发展起来的一项新技术，其应用广泛，包括航天、工程学、材料科学、物理研究等各个领域。3D 打印技术最早出现在 1984 年，是利用一种紫外光固化材料施行分层打印，最后形成一个实体化的三维结构，这种方法叫做立体光固化成型法（stereo lithography apparatus，SLA）[19]。随着技术的发展，3D 打印也越来越多地应用于医学生物组织工程学。最初的 3D 打印技术被用于打印患者患处的支架；或打印出生物组织模型，给医学研究和临床治疗提供参考[20-21]。随着 3D 打印技术、材料科学和基础医学的发展，越来越多的研究团队研制出各种具有生物活性的生物墨水，包括：种子细胞、细胞因子、生物支撑材料以及适宜细胞打印的喷嘴[22-23]，3D 生物打印技术便逐渐被广泛应用于医学的各大领域中。3D 生物打印技术主要分为 4 个步骤：① 运用影像学技术结合计算机编码复刻出组织器官虚拟模型；② 运用病理图像技术，比如激光共聚焦的组织厚片染色来进行组织细微结构的 3D 重建，以此来充实完善虚拟组织器官的细胞构成情况；③ 用装配了相应生物墨水的 3D 打印机逐层打印出虚拟组织器官，使其实物化；④ 培养并检测所得到的组织器官的生物稳定性及活性。3D 生物打印移植替代物修复患处，相较于生物源性移植物和传统组织工程学替代物的优势在于与患处高度的拟合度、较低的排异反应和在患处良好的支撑力度。近年来，有研究团队选择甲基丙烯酸化型胶原（methacrylated type I collagen）和海藻酸钠（sodium alginate）作为细胞基质，用角膜基质细胞作为种子细胞，运用 3D 打印技术成功复刻出患者的眼角膜[24]。另有研究证明，藻酸盐生物墨水具有稳定的打印特性，其可从阵列式打印喷头（XJ-128，Xaar Inc.，英国）稳定喷射，在保证了细胞密度的同时，还维持了细胞增殖分化的能力[10]。目前在临床研究中，3D 生物打印已应用于多种人体器官的修复，例如：骨、软骨、皮肤和血管等[25-26]。
3D 生物打印的技术难点在于生物支撑材料的选择和维持特定组织细胞的活性。生物支持材料不降解或者降解过慢会造成组织相容性差以及排异反应，降解速度过快会导致支撑能力差，患处复发等问题[27]。因此，研制出适合的生物支撑材料和基质成分的同时，保护好喷射打印细胞的活性则成为了研究者们需探索解决的难题。
4 探索泌尿系统修复重建新方法
目前，国内外暂无 3D 生物打印移植替代物用于泌尿系统修复重建中的研究报道。随着 3D 生物打印技术在人体多种器官修复中的不断研究，这种方法或许可以成为膀胱和尿道修复工程的新策略。3D 生物打印移植替代物用于泌尿系统修复重建的这种方法可分为以下几步：① 利用患者自体细胞，例如骨髓间充质干细胞[28]和脂肪干细胞[29]等，作为种子细胞进行体外扩增培养，并诱导分化成为患处所需成熟泌尿系统细胞；② 使用海藻酸钠、胶原等人造细胞基质包裹细胞，并且从中去除可能引起排斥反应的细胞成分[30]；③ 联合无创影像学技术、病理图像技术与计算机虚拟技术，构建出细致的患处缺损组织结构；④ 应用安装了多喷嘴的 3D 打印设备，每种组分采用单独喷嘴、多喷嘴配合同时打印，逐层构建出所需移植替代物；⑤ 采用 3D 培养的方式稳定移植替代物的组织细胞结构；⑥ 检测培养后所形成的再生移植替代物，其与正常泌尿系统组织应有相同的结构和功能，并且具有一定的韧性和抗张强度[31]。传统生物组织工程学移植替代物虽然能明显降低复发率，但患处有可能会发生炎症、感染、侵蚀等副作用[32]；而生物源性移植物虽有较好的生物组织相容性，但不足以维持患处的支撑力，尤其是膀胱和尿道常处于负压状态，更需要强大的支撑力[33]。相较于此，3D 生物打印技术不仅能通过患处组织架构精确无误的构建患处模型，同时还能打印多种不同功能的细胞、细胞外基质、细胞生长因子以及可降解的高分子支撑材料。3D 生物打印技术甚至可以重建血管及神经，得以最大程度地实现自体组织解剖复位[34]。该方法还可根据不同患者的个体差异定制移植替代物，实现个体化精准医疗的目的。虽然目前暂无 3D 生物打印技术应用于泌尿系统修复重建的研究，但是基于此方法已应用于心脏修复[35]、盆腔修复[36]等领域取得了较为理想的研究结果，未来可以大胆设想将其应用于泌尿系统修复重建中，可能会优于现有方案。
虽然 3D 生物打印技术的优势明显，但是以目前的情况来看，3D 生物打印技术难以普及，主要有以下几个因素：① 3D 生物打印制作成本普遍偏高；② 打印的原材料种子细胞的培养及获取相对较难，需要具备丰富细胞培养经验的技术人员操作；③ 用来打印的支撑材料不仅需要具备良好的生物组织相容性及生物力学性能，还必须要符合泌尿系统的特殊结构要求；④ 3D 数据重建必须精准无误；⑤ 需要能保证细胞及细胞因子活性的特殊 3D 打印机及喷嘴；⑥ 要配备熟练掌握 3D 立体打印技术的操作人员。因此，要发挥出 3D 生物打印技术的优势，使新型移植替代物应用于临床，还需要进一步的研究积累及探索。
5 总结
总之，3D 生物打印技术是组织工程学的一种新兴技术，其具有广泛的临床应用前景。将 3D 生物打印的移植替代物应用于泌尿系统修复重建中后，希望其可以在保证对患处组织支撑力的同时，仍然具有良好的生物组织相容性，该移植替代物将成为最接近生物体生理状态的移植材料。这项技术一旦成熟，替换损伤的泌尿系统组织或者器官就会成为可能，这为治疗人类疾病，延长人类寿命提供了新思路。3D 生物打印技术是一项多学科交叉应用技术，只有众多学科的共同发展，才可能促使这项技术的成熟化。目前，3D 生物打印技术仍然存在一些技术难点，只有广大研究者们不断研究突破，才有可能将 3D 生物打印广泛应用于临床，给患者带来福音。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。