再生医学使用可存活的细胞，通过注射、移植或植入到患者体内，发挥所需的治疗效果，例如创伤性伤口的愈合。然而，实现治疗细胞高效传递到目标部位，不丢失生存和功能，并确保组织整合，是成功的关键挑战之一。因此，为了充分发挥再生医学中细胞疗法的潜力，采用、适应或开发更好的工具，通过各种生物制造技术生产高质量的基于细胞的产品是有益的。
传统上，再生细胞疗法涉及将细胞悬浮在液体中，通过注射器针头或导管直接在体内注射到目标部位。尽管该方法简单，但临床结果一直不尽人意，部分原因是注射的细胞不能在目标部位保持。为了解决这一限制，更大、一旦传递就不易解体的细胞负载模块已成为一个有吸引力的替代品。无定形可注射水凝胶生物材料无疑是作为治疗细胞载体最常见的配方。替代品包括预成型模块结构，包括微凝胶和装载细胞的多孔聚合物微球。
这些方法面临几个缺点，包括与原生组织相比不可避免的细胞密度降低，以及人工引入的生物材料的组成和空间组织与原生细胞外基质(ECM)和组织结构的不同。这些缺点促进了无生物材料的细胞密集构建物的使用。例如，在平板上传递的细胞或以三维(3D)排列，如球状体，在临床前研究和临床试验中在再生目标组织方面取得了不同程度的成功。
尽管采用富含生物材料或无生物材料的模块化构建物，它们在注射后几乎总是随机地填充成不规则的架构。这在许多细胞疗法场景中可能是可以接受的，但缺乏细胞组织可能在一些应用中证明是不足的，其中对治疗部位原生几何形状的符合至关重要。例如，在皮肤损伤或肌肉损失的情况下，匹配组织架构以实现结构、功能和美观结果是非常重要的。
为此，出现了具有精确时空模式细胞和生物材料的生物制造方法。沿着这些方向，增材生物制造有能力生成既具有微观尺度又具有宏观尺度的细胞负载构建物，这些构建物与其原生目标组织在几何形状上非常相似。更常见的称为3D生物打印，这种方法有一系列的模式。
一种广泛使用的模式是挤出生物打印，它使用喷嘴将生物墨水（细胞加上其他必要的结构和活性成分），通常是多种生物墨水，逐点地沉积到收集板上，然后逐层堆叠。其他经常采用的生物打印模式包括喷墨生物打印和槽式聚合生物打印。喷墨生物打印将微小的生物墨水滴喷射成精确的图案，而槽式聚合使用一个或多个预装有生物墨水的槽，通过光化学（包括单光子和多光子）或声化学来生产3D构建物。
到目前为止，增材生物制造在很大程度上依赖于使用生物材料来实现组织架构的体积结构和成型。最初将生物打印与无生物材料的细胞密集模块结合起来，以确保类似原生的细胞-细胞相互作用的演示，集中在将多细胞球状体倾斜到排列的针阵上。在这种方法的后续版本中，使用吸气式微喷嘴将球状体一个接一个地转移，将它们叠加成体积模式，无需倾斜针。
近期的重大发展使得无需生物材料的细胞聚合体能够以更高的分辨率和复杂性被精确地结构化成与组织相关的模式，与简单将球状体聚合在一起所能达到的相比有显著提升。例如，由体细胞团块构成的生物墨水可以被装入生物打印喷头中，并挤出形成仅含细胞的细丝。然后，通过将仅含细胞的生物墨水挤压到支撑性水凝胶浴中，赋予其图案化能力。值得注意的是，当结合使用仅含干细胞的无生物材料生物墨水与挤出式生物打印时，可以产生具有明确时空排列的类器官。这些生物打印的类器官在体外与常规通过细胞自组装形成的球形类器官相比，展现出更好的一致性、分化效率和组织形成性能。
大多数人类实体器官表现出每立方厘米数十亿的高细胞密度。这种排列对于它们复杂的功能和结构完整性至关重要。例如，人体肝脏具有密集的细胞排列，这对于其代谢和解毒活动是必需的。同样，心脏组织表现出紧密堆积的细胞，这反过来确保了有效的电传导和收缩力以调节泵血功能。基于此，预计模仿这些高细胞密度的生物打印组织将通过提供协同的细胞相互作用、信号传导和移植后的组织整合，大大增强再生细胞治疗的结果。
到目前为止，将增材生物制造与无生物材料、细胞密集的生物墨水结合的方式一直依赖于使用台式生物打印机，这意味着组织必须首先被制造出来，成熟分化表型后再进行移植。通过将传统的增材生物制造方法转换为原位生物打印，可以进一步改进这一过程。这种方法涉及直接在患者的目标部位进行生物墨水的图案化，允许在实际需要再生或修复的生理位置内精确构建匹配部位的组织结构。因此，原位生物打印可能具有高适应性；降低污染风险；更简化的程序；以及提高的细胞活性、功能、宿主整合和美观外观。因此，原位生物打印不仅可以在医院环境中增强伤口再生，而且在紧急情况下，如战场等需要快速敷料的场景中，也可能具有关键的益处。
图|多种原位生物打印方法和生物墨水
原位生物打印技术包含多种不同的方法。一种方法是使用传统的生物打印机，在外科手术过程中直接应用。另一种方法是将打印头微型化，使其能够安装在手持设备中，以实现外科医生指导的手工绘图，跨越治疗区域。这种方法将实现快速可调的、用户定义的三维图案形成。或者，通过编程控制的机器人驱动的导管式生物打印机也可能导致治疗性细胞生物墨水的良好结构化输送。已经在使用这些方法的一些临床研究中进行了规划。
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细胞的生物材料的生物墨水上。然而，将包含类似天然组织细胞密度的生物墨水与原位生物打印相结合，可能会提高性能。一些这样组合的初步例子采用了微凝胶作为构建模块，这些微凝胶被高密度的细胞占据。这些微凝胶被预先培养以形成目标细胞密集的微型组织，然后作为生物墨水聚集体装入原位生物打印机中。使用机械臂启用的原位挤出方法实现了大鼠颅骨缺陷的愈合，并且喷射生物打印机在小鼠体内修复了肌肉和皮肤缺陷。这些研究还表明，与简单、无结构的部署相同细胞密集的微凝胶相比，原位输送具有预定义模式的高细胞密度微型组织块可以加速更好的愈合。
展望未来，预计当原位生物打印开始包含真正的无生物材料生物墨水，只包含单个细胞或其聚集体（球状体或类器官）时，它可以释放再生医学的全部潜力。这是因为当最小化使用生物材料（其组成和细结构经常在某种程度上与天然组织不同）时，生物打印结构内的高密度细胞将有机会通过组织成熟实现更强大的细胞间相互作用。这种成熟过程还允许细胞形成自己的组织特异性、分层组成和细结构的细胞外基质（ECM），否则不会通过人工引入的生物材料精确模仿。此外，当干细胞以所需密度原位生物打印以模仿早期发育阶段组织的形态时，可能能够实现高度功能性的替代组织，这些组织适合于增强再生。
与无生物材料、细胞密集的生物墨水结合使用原位生物打印在再生医学的细胞治疗中并不无挑战。与生物材料丰富的生物墨水图案形成不同，细胞密集模块的生物打印需要与周围组织微环境适当粘附。此外，需要保持模块内的内部凝聚力，这可能并不简单，需要额外的设计考虑，如结合促进细胞相互作用以形成完整组织片段的生长因子。此外，尽管针头注射是微创的，但使用原位生物打印机可能会导致稍微更具侵入性的程序，这取决于所使用的特定方法。因此，需要精心设计仪器，可能通过利用最先进的显微外科设备和医学成像平台。
原位生物打印的模式将需要匹配特定的组织需求，例如，肌肉的单向排列，肝脏的重复小叶单元。为此，使用原位技术实现细胞密集生物墨水的精确结构可能并不简单，可能需要额外改进仪器，如可能与人工智能驱动的算法整合。另一个有趣的探索领域可能是在原位生物打印后在治疗部位包含适当的线索，如化学因子、基因编辑工具、治疗性实体或其他生物活性剂，以实现有向的细胞修饰或分化，否则在没有成熟步骤的情况下体内可能存在风险。这种方法可能通过使用聚合纳米粒子、合成人工干细胞或细胞外囊泡来实现这些剂的控制释放，同时仍然保持最小的外源性生物材料存在。最后，考虑到技术的早期阶段，需要进行广泛的临床前和临床研究，以解决这些挑战和安全问题，然后才能应用。
参考文献：
Regenerative cell therapy with 3D bioprinting. Science 2024.
DOI: 10.1126/science.add8593
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8593
