3D 生物列印的核心挑戰已從「能不能印」轉向「印出來的組織能不能存活和功能化」——血管化、成熟和免疫相容性是三大瓶頸。
高階列印技術
- Volumetric bioprinting：Bernal et al.（2019, Adv Mater）以光投影在光敏 hydrogel 中一次性形成 3D 結構（數秒完成），避免傳統逐層列印的剪應力和時間問題。
- Embedded printing（FRESH）：Hinton et al.（2015, Science Advances）以 gelatin microparticle slurry 作為支撐浴，允許在其中自由形式擠出複雜軟組織結構（如心臟腔室、心瓣膜）——列印完成後 37°C 融化支撐浴。Lee et al.（2019, Science）以 FRESH v2.0 列印出完整的左心室結構。
- Multi-material printing：同時列印多種 bioink（含不同細胞類型和 ECM 組成），模擬組織的空間異質性。
dECM Bioink
Pati et al.（2014, Nat Commun）以去細胞化組織的 ECM（decellularized ECM, dECM）製備組織特異性 bioink——心臟 dECM、肝臟 dECM、脂肪 dECM 各保留了原始組織的蛋白質組和 GAG 組成。好處：提供組織特異性的生化線索；挑戰：批間差異、力學性質通常不足以獨立支撐列印結構。
Organ-on-a-Chip 的整合
3D bioprinting + microfluidics = printed organ-on-a-chip：
- Homan et al.（2016, Sci Rep）：bioprinted 3D proximal tubule model with perfusable channels。
- Grigoryan et al.（2019, Science）：以 DLP stereolithography 在 PEGDA hydrogel 中列印出 multivascular network（含獨立的 vascular 和 airway 通道），展示 pulsatile perfusion 和 tidal ventilation——向功能性肺組織邁出一步。
臨床轉化的瓶頸
- 規模（Scale）：列印一個完整的人類器官需要 ~10⁹-10¹⁰ 個細胞，目前的列印速度和細胞擴增能力不足。
- 成熟（Maturation）：列印後的組織需要在 bioreactor 中培養數天到數週才能獲得功能。
- GMP 製造：bioink 的無菌製備、列印過程的品質控制、最終產品的放行標準均待建立。
- 法規：FDA 2017 年發布 3D printing 指引，但 bioprinting 的活體產品需額外的 biologic 法規路徑。
文獻：Miller JS et al. (2012) Nat Mater 11:768-74 / Kang HW et al. (2016) Nat Biotechnol 34:312-9 / Lee A et al. (2019) Science 365:482-7 / Grigoryan B et al. (2019) Science 364:458-64