再生醫學使用可存活的細胞，通過注射、移植或植入到患者體內，發揮所需的治療效果，例如創傷性傷口的愈合。然而，實現治療細胞高效傳遞到目標部位，不丟失生存和功能，并確保組織整合，是成功的關鍵挑戰之一。因此，為了充分發揮再生醫學中細胞療法的潛力，采用、適應或開發更好的工具，通過各種生物制造技術生產高質量的基于細胞的產品是有益的。
傳統上，再生細胞療法涉及將細胞懸浮在液體中，通過注射器針頭或導管直接在體內注射到目標部位。盡管該方法簡單，但臨床結果一直不盡人意，部分原因是注射的細胞不能在目標部位保持。為了解決這一限制，更大、一旦傳遞就不易解體的細胞負載模塊已成為一個有吸引力的替代品。無定形可注射水凝膠生物材料無疑是作為治療細胞載體最常見的配方。替代品包括預成型模塊結構，包括微凝膠和裝載細胞的多孔聚合物微球。
這些方法面臨幾個缺點，包括與原生組織相比不可避免的細胞密度降低，以及人工引入的生物材料的組成和空間組織與原生細胞外基質(ECM)和組織結構的不同。這些缺點促進了無生物材料的細胞密集構建物的使用。例如，在平板上傳遞的細胞或以三維(3D)排列，如球狀體，在臨床前研究和臨床試驗中在再生目標組織方面取得了不同程度的成功。
盡管采用富含生物材料或無生物材料的模塊化構建物，它們在注射后幾乎總是隨機地填充成不規則的架構。這在許多細胞療法場景中可能是可以接受的，但缺乏細胞組織可能在一些應用中證明是不足的，其中對治療部位原生幾何形狀的符合至關重要。例如，在皮膚損傷或肌肉損失的情況下，匹配組織架構以實現結構、功能和美觀結果是非常重要的。
為此，出現了具有精確時空模式細胞和生物材料的生物制造方法。沿著這些方向，增材生物制造有能力生成既具有微觀尺度又具有宏觀尺度的細胞負載構建物，這些構建物與其原生目標組織在幾何形狀上非常相似。更常見的稱為3D生物打印，這種方法有一系列的模式。
一種廣泛使用的模式是擠出生物打印，它使用噴嘴將生物墨水（細胞加上其他必要的結構和活性成分），通常是多種生物墨水，逐點地沉積到收集板上，然后逐層堆疊。其他經常采用的生物打印模式包括噴墨生物打印和槽式聚合生物打印。噴墨生物打印將微小的生物墨水滴噴射成精確的圖案，而槽式聚合使用一個或多個預裝有生物墨水的槽，通過光化學（包括單光子和多光子）或聲化學來生產3D構建物。
到目前為止，增材生物制造在很大程度上依賴于使用生物材料來實現組織架構的體積結構和成型。最初將生物打印與無生物材料的細胞密集模塊結合起來，以確保類似原生的細胞-細胞相互作用的演示，集中在將多細胞球狀體傾斜到排列的針陣上。在這種方法的后續版本中，使用吸氣式微噴嘴將球狀體一個接一個地轉移，將它們疊加成體積模式，無需傾斜針。
近期的重大發展使得無需生物材料的細胞聚合體能夠以更高的分辨率和復雜性被精確地結構化成與組織相關的模式，與簡單將球狀體聚合在一起所能達到的相比有顯著提升。例如，由體細胞團塊構成的生物墨水可以被裝入生物打印噴頭中，并擠出形成僅含細胞的細絲。然后，通過將僅含細胞的生物墨水擠壓到支撐性水凝膠浴中，賦予其圖案化能力。值得注意的是，當結合使用僅含干細胞的無生物材料生物墨水與擠出式生物打印時，可以產生具有明確時空排列的類器官。這些生物打印的類器官在體外與常規通過細胞自組裝形成的球形類器官相比，展現出更好的一致性、分化效率和組織形成性能。
大多數人類實體器官表現出每立方厘米數十億的高細胞密度。這種排列對于它們復雜的功能和結構完整性至關重要。例如，人體肝臟具有密集的細胞排列，這對于其代謝和解毒活動是必需的。同樣，心臟組織表現出緊密堆積的細胞，這反過來確保了有效的電傳導和收縮力以調節泵血功能。基于此，預計模仿這些高細胞密度的生物打印組織將通過提供協同的細胞相互作用、信號傳導和移植后的組織整合，大大增強再生細胞治療的結果。
到目前為止，將增材生物制造與無生物材料、細胞密集的生物墨水結合的方式一直依賴于使用臺式生物打印機，這意味著組織必須首先被制造出來，成熟分化表型后再進行移植。通過將傳統的增材生物制造方法轉換為原位生物打印，可以進一步改進這一過程。這種方法涉及直接在患者的目標部位進行生物墨水的圖案化，允許在實際需要再生或修復的生理位置內精確構建匹配部位的組織結構。因此，原位生物打印可能具有高適應性；降低污染風險；更簡化的程序；以及提高的細胞活性、功能、宿主整合和美觀外觀。因此，原位生物打印不僅可以在醫院環境中增強傷口再生，而且在緊急情況下，如戰場等需要快速敷料的場景中，也可能具有關鍵的益處。
圖|多種原位生物打印方法和生物墨水
原位生物打印技術包含多種不同的方法。一種方法是使用傳統的生物打印機，在外科手術過程中直接應用。另一種方法是將打印頭微型化，使其能夠安裝在手持設備中，以實現外科醫生指導的手工繪圖，跨越治療區域。這種方法將實現快速可調的、用戶定義的三維圖案形成。或者，通過編程控制的機器人驅動的導管式生物打印機也可能導致治療性細胞生物墨水的良好結構化輸送。已經在使用這些方法的一些臨床研究中進行了規劃。
值得注意的是，先前的原位生物打印演示完全集中在使用富含細胞的生物材料的生物墨水上。然而，將包含類似天然組織細胞密度的生物墨水與原位生物打印相結合，可能會提高性能。一些這樣組合的初步例子采用了微凝膠作為構建模塊，這些微凝膠被高密度的細胞占據。這些微凝膠被預先培養以形成目標細胞密集的微型組織，然后作為生物墨水聚集體裝入原位生物打印機中。使用機械臂啟用的原位擠出方法實現了大鼠顱骨缺陷的愈合，并且噴射生物打印機在小鼠體內修復了肌肉和皮膚缺陷。這些研究還表明，與簡單、無結構的部署相同細胞密集的微凝膠相比，原位輸送具有預定義模式的高細胞密度微型組織塊可以加速更好的愈合。
展望未來，預計當原位生物打印開始包含真正的無生物材料生物墨水，只包含單個細胞或其聚集體（球狀體或類器官）時，它可以釋放再生醫學的全部潛力。這是因為當最小化使用生物材料（其組成和細結構經常在某種程度上與天然組織不同）時，生物打印結構內的高密度細胞將有機會通過組織成熟實現更強大的細胞間相互作用。這種成熟過程還允許細胞形成自己的組織特異性、分層組成和細結構的細胞外基質（ECM），否則不會通過人工引入的生物材料精確模仿。此外，當干細胞以所需密度原位生物打印以模仿早期發育階段組織的形態時，可能能夠實現高度功能性的替代組織，這些組織適合于增強再生。
與無生物材料、細胞密集的生物墨水結合使用原位生物打印在再生醫學的細胞治療中并不無挑戰。與生物材料豐富的生物墨水圖案形成不同，細胞密集模塊的生物打印需要與周圍組織微環境適當粘附。此外，需要保持模塊內的內部凝聚力，這可能并不簡單，需要額外的設計考慮，如結合促進細胞相互作用以形成完整組織片段的生長因子。此外，盡管針頭注射是微創的，但使用原位生物打印機可能會導致稍微更具侵入性的程序，這取決于所使用的特定方法。因此，需要精心設計儀器，可能通過利用最先進的顯微外科設備和醫學成像平臺。
原位生物打印的模式將需要匹配特定的組織需求，例如，肌肉的單向排列，肝臟的重復小葉單元。為此，使用原位技術實現細胞密集生物墨水的精確結構可能并不簡單，可能需要額外改進儀器，如可能與人工智能驅動的算法整合。另一個有趣的探索領域可能是在原位生物打印后在治療部位包含適當的線索，如化學因子、基因編輯工具、治療性實體或其他生物活性劑，以實現有向的細胞修飾或分化，否則在沒有成熟步驟的情況下體內可能存在風險。這種方法可能通過使用聚合納米粒子、合成人工干細胞或細胞外囊泡來實現這些劑的控制釋放，同時仍然保持最小的外源性生物材料存在。最后，考慮到技術的早期階段，需要進行廣泛的臨床前和臨床研究，以解決這些挑戰和安全問題，然后才能應用。
參考文獻：
Regenerative cell therapy with 3D bioprinting. Science 2024.
DOI: 10.1126/science.add8593
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8593
