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“Inkjet Bioprinting of Biomaterials”（生物材料噴墨打印技術(shù)）為徐弢教授團(tuán)隊近日在國際期刊《Chemical Reviews》（化學(xué)評論）上發(fā)表的綜述文章。該文全面系統(tǒng)地介紹了噴墨生物3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究進(jìn)展，并就該技術(shù)存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析與討論，同時提出了未來可能的發(fā)展方向。

噴墨技術(shù)起源于十九世紀(jì)末，最早被應(yīng)用于印刷出版業(yè)。因其具備高通量、高分辨率、非接觸和按需打印等特點，越來越多的研究者開始發(fā)掘這項技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用價值。步入二十一世紀(jì)后，由于噴墨生物打印技術(shù)的快速發(fā)展及其影響力的日益提升，對噴墨生物打印重要進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)具有必要性。

圖1  典型噴墨打印生物材料及應(yīng)用

該文簡要介紹了噴墨技術(shù)的發(fā)展歷史、技術(shù)原理與技術(shù)特點。隨后，根據(jù)打印對象生物活性的逐漸提升，文章按打印純材料、生物大分子（蛋白質(zhì)、DNA）、細(xì)胞的順序展開介紹，歸納總結(jié)了噴墨打印在這些領(lǐng)域的研究進(jìn)展與代表性應(yīng)用。在文章的討論部分，針對噴墨生物打印技術(shù)現(xiàn)存的瓶頸與挑戰(zhàn)，從材料、技術(shù)、策略與設(shè)備四個角度給出了可能的解決方案。

高分辨率是噴墨打印的重要特點, 受彩色印刷像素概念的啟發(fā)，文章首次提出了生物像素的概念：將人體內(nèi)四大組織（神經(jīng)、上皮、肌肉、結(jié)締）來源的祖細(xì)胞定義為細(xì)胞三維打印的“生物像素”。根據(jù)給定位置信息，將“生物像素”按不同數(shù)量比例進(jìn)行打印組裝并誘導(dǎo)分化，即可形成不同組織與器官。且單位體積內(nèi)“生物像素”的含量越高，細(xì)胞間聯(lián)系越充分，協(xié)同作用越強(qiáng)，即“分辨率”越高。此外，組成DNA分子的四個堿基（A, T, C, G）可歸納為用于DNA制造的“生物像素”：通過噴墨打印技術(shù)將不同的堿基對按照不同的次序排列，即可根據(jù)需要定制不同長度和序列的DNA鏈，以此構(gòu)建信息存儲的生物載體。這一概念的提出，為噴墨打印構(gòu)建組織與器官提供了一種更本質(zhì)的闡述，有望更全面地指導(dǎo)活體打印設(shè)計、仿生結(jié)構(gòu)成形和生物功能實現(xiàn)；同時亦可為噴墨打印技術(shù)在信息存儲領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。該文還展望了面向功能化組織/器官制造的4D噴墨生物打印技術(shù)，并描繪了生物3D打印發(fā)展路線圖。

圖2  傳統(tǒng)印刷像素和“生物像素”類比示意圖

圖3  生物3D打印的發(fā)展路徑圖

論文通訊作者徐弢教授來自機(jī)械系生物制造中心團(tuán)隊，他從2001年開始從事噴墨生物打印技術(shù)研究，是國際上最早進(jìn)行細(xì)胞和器官打印技術(shù)開發(fā)的研究者之一，擁有世界首個細(xì)胞打印專利并作為第一作者發(fā)表首篇細(xì)胞噴墨打印論文。該論文被美國科學(xué)雜志作為重大技術(shù)突破進(jìn)行專題報道（Science，2004年9月24日，第1895頁）。美國著名的《Business 2.0》（商業(yè)2.0）雜志將細(xì)胞及器官打印技術(shù)評為21世紀(jì)改變世界的六大技術(shù)之一（2003年5月刊）?；谇捌诠ぷ髫暙I(xiàn)，徐弢教授應(yīng)《Chemical Reviews》（化學(xué)評論）編輯部邀請撰寫本文，旨在促進(jìn)對噴墨生物打印技術(shù)的重新思考和全面理解，推動該技術(shù)在藥物開發(fā)、生物制造、組織工程、信息存儲等領(lǐng)域進(jìn)一步融合應(yīng)用。徐弢教授指導(dǎo)的機(jī)械系博士生李欣達(dá)、清華-伯克利深圳學(xué)院博士生劉博勛為該論文共同第一作者。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.0c00008