干细胞是人体的原始组成部分，是一种具有多向分化潜能的特殊细胞。干细胞可以分化为人体中已发现的约210种细胞类型中的一种。所以，干细胞就是组织工程种子细胞的不二选择。迄今为止，将真核细胞进行二维打印的文献报道较多，但是将干细胞进行三维打印，细胞能否按CAD设计堆积成为一个三维立体结构具有极高的难度，相关报道较少。

这种将三维打印同组织工程相结合的衍生技术，就被称为生物打印( bioprinting)，其定义可以概括为生化试剂、生物材料和活细胞的精确定位。与那种添加制造( additive manufacture，AM)技术不同的是，生物打印能够通过同样的设备实现不同材料的沉积。利用同彩色打印相类似的方法，我们可以将不同材料的不同单元层打印在一起，并更为详尽地探究这种组合所产生的影响。

喷墨打印技术非常适合于生物材料的沉积，因为这种技术能够将精准地将皮升级的液体定位在指定的位置上。早在1988年，Klebe就利用这种喷墨打印技术，通过一台惠普台式打印机将细胞、胶原和纤维蛋白悬浊液沉积到了一起，形成了具有一定立体形状的组织结构。在这个实验中，Klebe仅仅只是将一台未经改造的打印机中的墨盒经过消毒清洁后，将里面的绘图墨水换成了生物活性液体。这种未经特殊改造的台式打印机，就是换了新的“墨水”，居然能够像打印无机材料那样打印细胞和生物材料，这就说明了这种技术工具功能的多样性。

这种喷墨打印的技术还有一个优势在于其可以通过改变液滴的密度来产生不同的表面浓度。Campbell等人就通过喷墨打印机喷涂激素，发现不同表面浓度的激素可以直接对附着的细胞造成影响。他们还展现了生长因子的表面浓度对于干细胞的细胞命运具有一定的控制作用，在同样的聚苯乙烯材料的培养皿中，喷涂不同的表面浓度会造成不同的细胞结局。然而在机体组织中的细胞实际上是存活于一个立体环境中的，这样的喷涂技术未必就能够真实地反映出细胞理想的生长状态。Campbell的团队现在正尝试通过在纳米级的支架材料上喷涂生长因子，来构建某些生物组织。

当然光有这些是远远不够的，如果生物打印的终极目标是再造出组织结构，那么不论是通过不同类型的细胞在制定位置的沉积，或者是通过将制定区域的祖细胞定向诱导分化为不同类型的细胞，从而制造出更为复杂的异种多相且不均一的组织结构。为了获得这样的模拟组织或者前体组织，三维打印设备就需要具备准确定位细胞和释放生化因子的能力，以及提供多种材料的能力，从而构建出一个暂时性的开放式结构，以便为细胞输送营养物质。

生物打印作为一种细胞的操控手段，已经从设想走向了现实，能够直接将细胞和生物材料混合打印出一定的组织结构。D’Lima等人利用聚乙二醇二甲基丙烯酸的水溶液制备成含有软骨细胞的悬浊液，灌注到事先造好的软骨缺损模型中，随后利用光照诱导交联反应，使之形成含有软骨细胞的水凝胶。经过数天的培养，打印的组织同原有的软骨组织实现了融合，两者之间无明显的界面。但值得一提的是，作为诱导凝胶的光照反应对于细胞还有一定潜在的细胞毒性的，为此Williams等人做了一系列实验，发现这种潜在的细胞毒性跟细胞的不同类型相关。从此之后，这种含有活细胞的打印技术极大地吸引了研究人员的注意力，是一种极具发展潜力的前沿科技。

目前生物学家们已经利用人体细胞进行试验，而这种技术并不只是单纯的一种或多种细胞的堆砌，而是以一种更接近自然的方式结合在一起。目前，这种三维打印技术已经成功地制造出了血管和能够跳动的心脏组织。但是，必须承认的是，目前距离我们那种能够直接打印出可供抑制并发挥功能作用的器官，还依然有很长的路要走。不过，就目前的研究阶段来看，研究人员还是看到了三维打印技术的发展潜力，运用这种技术构建出来的具有立体结构的细胞构架，相较于那种传统的培养皿中产生的组织，具有更加近似于生命体的形态和功能。比如说总部设在美国加州圣地亚哥的Organovo公司研发的三维打印机，就能够制造出具有立体结构的生物组织，用于药品的药理测试实验。同时，其他的研究机构也在构建能够承载细胞并使之生长的塑料或者是胶原支架材料。有研究认为支架的结构能够帮助细胞生长，并促使干细胞分化成不同类型的细胞。通过三维打印技术，科学家就能够有更为有效的方法制造出能够发挥最佳作用的支架材料。但是目前大多数三维打印机的精度都在几十到几百微米之间，但细胞对于材料哪怕几微米的改变都非常敏感。世界上最先进的运用激光熔融的三维打印机可以把分辨率控制到100nm的级别，但是这种技术还仅停留在实验室阶段。

组织工程是应用工程科学和生命科学的原理和方法，开发用于恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物的新兴交叉学科。其核心是建立由细胞、生物材料支架和生长因子所构成的三维复合体。其中，由生物材料所构成的细胞支架的作用是为细胞增殖提供空间，使细胞按照生物材料支架的构形在生长因子的作用下分化、增殖，最终成为所要求的组织或器官，达到修复创伤和重建功能的目的。

一个理想的支架应具有如下性质:

1.三维多孔且内部贯通的孔网络结构，以适合细胞的生长和养分的输送以及代谢废物的排放。

2.与体内、体外细胞或组织的生物相容性和与其生长相匹配的降解速度。

3.合适的表面化学，适合细胞的附着、增殖和分化。

4.与植入组织相匹配的力学性质。围绕传统的制造方法如溶剂浇铸-粒子沥出法、层状薄膜叠加法、乳液冷冻干燥法以及熔融成形法等，国内外已有很多综述性文章作以描述。

三维打印技术在组织工程支架制造中的应用，是国际上一个新的研究热点，已引起人们的广泛关注。组织工程和再生医学的发展对现代医用生物材料提出了更高要求，构建理想生物材料支架是众多研究者的目标。相对于传统的支架制备方法，三维打印技术可在微观尺度下用预先设计的几何结构模型构筑和优化支架，所形成的多层网络结构可提供多个组织生长界面，更好地模拟了活性组织的微结构和孔隙梯度结构，使得对细胞生长的拓扑学研究成为可能。而且三维打印技术由于可控制支架内部的微结构，增大了支架深层物质的传输，有利于细胞生长和对材料的爬行替代，可构建一定厚度的支架，并已成功用于生物降解高聚物、生物陶瓷支架的制备中。另外，结合医学影像技术可实现用户化的植入物制造，因而三维打印技术在组织工程支架的制备中极具优势。目前在三维打印技术的实施过程中，还存在如高温加工阻碍生物大分子的引入以及会导致支架力学性能降低、使用有机黏结剂、残余聚合物粉末不能完全除去等缺陷。开发包含有生物活性组分如生长因子、细胞和药物的水凝胶支架体系将是解决这一问题的方向之一。此外，众多的研究工作多围绕如何利用快速成形技术制备出初级体外支架模型，还未与构建器官原型支架、最终实现中级植入体、高级人体器官联系起来。分析原因在于两个方面:一是利用现有的CT、MRI等医学影像手段难以准确、快速、完备地获取实物的三维几何数据，进而与三维打印技术的高精度相匹配;另一方面，成形过程中制件的翘曲变形、成形后由于温度和内应力变化等不稳定因素会造成支架无法精确预计的变形。只有通过开展多学科领域的交叉研究、相互协作，才能加快上述问题的解决，促进快速成形技术在组织工程领域中的广泛应用，推动组织工程学科的发展。

在组织工程骨的研究领域，由于人体骨骼的曲面比较复杂，其形状各不相同，精确制造出活性人造骨骼存在一定的困难。三维打印技术采用离散堆积的方法，可以制造任意复杂的三维结构，成形过程与工件的复杂程度没有直接的关系，根据孔隙率的大小，调节支架材料粉末颗粒的大小;通过改变切层的填充方式来改变孔隙率和微孔的大小，制造出适应细胞生长的活性骨骼，非常适合制造人体骨骼。三维打印技术制造人体骨骼与传统的人体骨骼制造技术相比，不需要制造人体骨骼的模具，具有柔性大(生产周期短和成本低等优点;与其他快速成形技术相比，基于喷射技术的三维打印成形技术由于其设备和材料便宜，运行成本低，操作简单，成形无污染，适合办公室环境，且打印速度快，可制作精细复杂的实体，已成为近年来研究和应用的热点。

但是由于人体结构的复杂和几何形态的不规则性，增加了三维建模的难度，不能简单地用CAD和CAE软件进行直接三维建模。医用CT扫描人体骨骼得到骨骼的截面数据，经过相关处理导入三维打印机，以保证人体骨骼建模的准确性，成形出理想的人体骨骼。目前骨骼数据转化的难点主要是CT的最小每层扫描厚度和三维打印机的每层扫描厚度不一致。研究人员正努力提高扫描的精度以扫清三维建模的障碍。

再生医学越进步越倾向于回归自然，自然也就要求打印出的组织结构在形态上更具个性化，更加贴近天然组织的外形。通常组织工程骨的支架材料以羟基磷灰石( hydroxyapatite，HAP)和磷酸三钙( tricalcium phosphate，TCP)最为常见。但是通常传统的加工工艺无法实现HAP或TCP支架材料的个性化定制，制作出来的支架无法精确地匹配缺损部位所需要的几何外形，只能以颗粒的形式进行充填，通常用于对外形不敏感的骨缺损部位的修复。Patrick等人在2009年，采用三维打印技术，将HAP和TCP的粉末逐层烧结成具有特定外形的立体支架。这种支架除了外形尺寸精准之外，内部的孔隙直径大小也可以通过计算机进行准确的控制。这样利用计算机辅助设计的三维打印支架可以较为完美地恢复患者的骨缺损部位(比如对患者颜貌极为重要的颌骨等)。Patrick随即运用电子隧道显微镜、免疫荧光染色等技术手段，以临床上常用的BioOss骨粉作为对照，对这种支架材料的生物相容性进行了一系列评估工作，发现人成骨细胞都能在黏附并生长，但是HAP粉末烧结的支架的生物相容性优于BioOss骨粉和TCP支架。研究人员在现有研究的基础上，有望通过在支架内部预留好的管道为血管和神经的长入提供合适的空间，诱导组织工程骨的内部血管化。这也就对相应的三维打印技术有了更高的要求，在未来能打印出这种极度复杂的组织支架。

当然仅有支架材料的三维打印还是远远不够的，未来的突破还在于三维打印干细胞，经过精确配置使得它们生成活性组织。哥伦比亚大学杰里米教授三维打印出实验兔的新型臀骨并接种干细胞。首先，杰里米和他的团队分离出实验兔的臀骨并拍照，然后将图像转换为设计文件，运用三维打印技术制造出人造臀骨，然后将干细胞洒在人造臀骨上并重新植入实验兔体内。4个月后，所有的实验兔都可以自如行走，有的甚至在术后几周就可以用臀部承载一定的重量。杰里米和他的研究团队设计了带有细小而弯曲的微通道的置换骨，它可以促使干细胞爬到植入物的表面，从而帮助实验兔更快地愈合。在其他实验中，杰里米团队打印出实验鼠的置换上颌中切牙，并定植上干细胞，然后将置换物植入实验鼠的口中。9周后，由于上颌中切牙具有了理想的形状以及干细胞的注入，新的牙周韧带和骨骼接受了这一义齿。无独有偶，与哥伦比亚大学杰里米教授的研究团队采用的方法类似，华盛顿州立大学的研究人员用磷酸钙、硅、锌粉制成了喷雾三维打印骨骼。细小的雾滴形成约20μm厚的薄层。研究人员在打印骨上喷上不成熟的人骨细胞。通过这种方法，不成熟的骨细胞在新环境中茁壮成长，并最终成为成熟的活性骨骼组织。

心脏是由肌肉、血管和软骨组成的，它们在射向整个身体的电脉冲所精心设计的复杂程序里共同协作。一个人每天平均心脏跳动近10万次，事实上，心脏每年要承受自身的冲击大约8000万次，平均一生约50亿～60亿次。

医学上最棘手的心脏部位之一是薄薄的纤维瓣膜。人的心脏被瓣膜分成四个心腔。心脏瓣膜就是在血液从一个心腔流向另一个心腔时，为控制血流方向而精确地进行开关闭合的单向通道。如果这些瓣膜不能正常工作，患者的心脏最终将走向衰竭。据美国心脏协会报告，每年有500万美国人被诊断出患有心脏瓣膜疾病，而心脏瓣膜缺陷是一种常见的先天性疾病。心脏瓣膜非常小，仅有硬币大小，从新生儿到成人，其尺寸会逐渐增长。血液必须按照一个方向进行脉冲。如果心脏瓣膜出现机械性不足，它就会开始慢慢泄漏。如果瓣膜增厚或变得僵硬也可能导致心力衰竭。正在发展的三维打印技术有望在未来解决这一问题。目前能够移植的动物瓣膜(通常以猪为主)不足以支撑年轻患者的长期身体活动，而且还会冒着极大的免疫排斥风险。此外，无论是机械的还是生物衍生的人工心脏瓣膜都不能与移植的宿主共同生长，这就意味着使用者必须重复进行心脏手术以植入越来越大的瓣膜。研究人员希望能够为患有先天性缺陷的幼儿直接植入一个三维打印的全新的心脏瓣膜，其除外形匹配外，还能具备生物活性，随着患者年龄的增加而同步变大。由于心脏瓣膜上的细胞必须紧密排列在特定位置才能工作，因此细胞定位是至关重要的。科学家正在寻求更为精准地三维打印技术，并尝试在打印的过冲中同时运用多个喷头，进行不同类型细胞/生物材料的同步打印。除此之外，研究人员亟待解决的破解点还有，如何诱导干细胞发育成成熟的心脏瓣膜细胞，如果能够在这个关键环节上有所突破，那将向未来生物打印功能健全的人造心脏瓣膜迈进一大步。