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1美國加利福尼亞州長灘長灘加州州立大學電氣工程係*通訊作者:David A. Stout，加州州立大學機械與航空航天工程係，美國加州長灘，電話:562-985- 1502;電子郵件:david.stout@csulb.edu
幹細胞已經成為一種複興的生物技術，開始擴大再生醫學領域。盡管幹細胞能夠再生組織，但目前的研究趨勢傾向於開發功能完整的器官和其他臨床應用，包括通過三維打印方法進行原位幹細胞修複。通過幾項測試和技術，可以表明大多數幹細胞打印方法是可行的，而且大多數測試結果都具有較高的細胞活力。此外，生物打印技術對再生醫學領域的重要性在於，再生醫學為數千名沒有捐贈者的患者進行人工器官移植。雖然這一領域不是全新的，但理解增材製造與生物材料的集成和使用對於開發功能齊全的器官至關重要。生物材料本身非常重要，因為它們在創造一個在體內具有機械強健和適應性的器官方麵起著關鍵作用。在這篇評論文章中涵蓋了許多特色測試，其中也涉及到包括生物材料的重要性，能夠維持一個可行的微環境。這些材料包括生物材料，如水凝膠、生物聚合物和合成的細胞外基質(ECM)，用於幹細胞增殖、分化，並在打印後為細胞通訊提供自由。
幹細胞生物打印;胚胎幹細胞;成體幹細胞;新生兒幹細胞
從20世紀90年代末開始，人們一直在猜測幹細胞分化為多種類型細胞的潛力和它們的自我更新[1]。然而，在它們被發現的時候，唯一可用的幹細胞類型是胚胎幹細胞(ESCs)。為了獲得可行的ESCs，研究人員必須完成許多艱巨的任務，並將政治觀念與研究結合起來，這使得進行研究非常具有挑戰性[2]。因此，幹細胞研究被推遲，利益衝突也隨之增加。在後來的幾年裏，再生醫學進入了人們的視野。這重新激起了人們對幹細胞研究的興趣，有關幹細胞的知識也迅速增長[3,4]。
與此同時，增材製造也很受歡迎，人們猜測是否有能力用硬化聚乳酸(PLA)[5]製造工業產品。它對臨床研究人員如此有吸引力的原因是它的精確度，這將為減少手工製作三維支架的誤差提供機會。來自世界各地的研究人員開始一起測試幹細胞和生物材料，試圖開發出第一批人造器官[6]。
這項工作於2009年完成，不久生物打印成為可能[7]。簡而言之，這項技術很簡單:生物材料被分配到一個小管中，然後被加壓並推出形成一個小液滴。所有這些液滴都是在接觸打印機床時瞬間形成的。
增材製造的原理運行良好，但有一個問題:細胞是活的有機體。它們不是靜止的，有自然遷移的傾向。如果打印方法破壞了它們的微環境或者它們的微環境不穩定，它們也可能死亡。此外，如果幹細胞對打印的生物材料沒有反應，那麼幹細胞可能會遷移到打印的某些區域，並在更大的組織中產生異常。為了掌握生物打印技術，有必要了解幹細胞與生物材料的特性和行為。
現在有超過兩種不同類型的幹細胞，這裏展示的是它們的理想特性，可以用於三維打印方法來創造活的組織和器官。此外，打印細胞最重要的部分是它們如何對此做出反應。
首先，有必要看看哪些類型的幹細胞能夠經曆增材製造過程。大多數幹細胞都能被擠出。以下幹細胞類型已經在許多實驗室進行了研究，如圖1所示，顯示了每種幹細胞的種類和差異。
當科學家們第一次發現ESCs時，他們驚訝地發現它們有可能解決某些疾病。相比之下，ESCs很難大量收獲。這些細胞隻在胚胎受精時可用，在胚胎受精時它們分化為人類解剖結構的設計[9]。這些細胞的特別之處在於它們能夠分化成幾乎每一種[10]細胞類型。胚胎幹細胞不需要以前的親本血統來匹配所需的細胞，減少了對蛋白質或試劑改變細胞的需要。
ESCs的獨特之處在於它能夠創造三個不同的胚層:內胚層、中胚層和外胚層。每一層都伴隨著幹細胞，並提供多能因子，使細胞具有普適性。每一層，胚芽層作為影響因子將細胞分化為一個單獨的譜係[11,12]。
成體幹細胞(ASCs)來源於成體組織，來自組織的某些區域，這些區域作為一個生態位，在損傷過程中被釋放，重建組織以重新生長[13,14]。也被稱為體細胞幹細胞，每個ASC隻能分化成它們的親本係和各自的細胞。這並不會限製幹細胞，但確實會影響幹細胞再生成原來細胞類型的能力。ASCs最常見的一些區域是上皮組織、心血管組織、肌肉組織，其中最常見的是骨髓組織[15]。對於骨髓幹細胞(BMSCs)，它們被廣泛認為是最容易使用的[16]之一。許多研究小組利用它們來開發三維打印機，因為骨骼是人體中最簡單的組織類型之一，由鈣、脂肪和血液/血漿[17]組成。
分娩後，子宮的其餘部分包含其餘的臍帶和羊水。這些不是危險廢物，因為大多數材料是新生的。這些廢物中有很大一部分含有活的、正在培養的幹細胞，在一定程度上是在子宮內製造嬰兒的。事實上，新生兒的排泄物被捐贈給公共/私人銀行進行冷凍保存和檢查，以獲取從子宮中提取的幹細胞。從它衍生的幹細胞幾乎是ESCs[12]的姐妹。新生兒幹細胞(NSCs)具有類似ESCs的能力，包括再生和多能性。然而，限製它們在再生醫學領域使用的是它們是自體的，這意味著它們隻能用於它們來自[18]的個體。
另一個與ESCs相關的是人誘導多能幹細胞(hPSCs)，它來自於體細胞，絕症細胞，經重編程後具有ESCs[19]的功能。目前的重編程方法幾乎是新方法，但細胞按照被告知的方式行事。
hPSCs的限製是基因表達[2]的限製。研究尚未厭惡重編程的影響，以及它們如何在自然細胞之間而不是重編程細胞[20]之間起作用。
有一個因素是最重要的，那就是如何培養大量的幹細胞。幹細胞可以根據生長環境的不同，分化成不需要的細胞，因此目前還沒有找到有效的方法。
同樣的道理也適用於類似的細胞類型，這取決於細胞本身的多能性。包括ASCs在內的一些幹細胞隻能分化成它們的親本組織[10]。如果取上皮成體幹細胞進行培養，它們隻能再生為上皮細胞。在某些情況下，形態發生蛋白已與幹細胞一起研究，以影響它們生長成不同於其親本來源[21]的其他細胞。
影響一種新的蛋白質進入細胞培養物有許多影響。一項關於多功能成人骨髓來源間充質幹細胞(MSCs)的研究正在試驗使用骨形態發生蛋白-2 (BMP2)[22]開發不同類型的組織。在這種情況下，BMP2將細胞分為三個不同的譜係:軟骨細胞、腎細胞和上皮細胞。這三種細胞都處於特定的環境中，周圍的基質中有物質，每一種細胞都分別影響到適當的譜係。細胞之所以能夠知道這些，多虧了BMP2，因為它是細胞信號和細胞環境的通信器。該蛋白為幹細胞分化為所需細胞並在實驗基礎上形成組織提供了指導和知識。
控製幹細胞之間的細胞信號傳遞是理想的，主要是為增材製造的使用而大量生長。
研究表明，在開發幹細胞微環境時需要解決四個因素:細胞遷移和運動，環境重塑，表型表達的變化和細胞活力。它們在控製幹細胞中都起著重要的作用，它們在工程微環境中可能發生的反應不應被視為一種材料，而應被視為一種活的有機體[23,24]。
盡管BMP2取得了成功，但幹細胞不能僅依靠細胞信號轉導來維持內穩態。在某些情況下，它們可能會發現它們所處的環境不適合它們，從而導致細胞分化或細胞破壞[22,25,26]。減少細胞破壞的一種方法是微膠囊化，它將細胞包圍在細胞外基質(ECM)環境中，以提供適當的營養、水合作用，並可與其他細胞進行通信。
最流行的方法是將幹細胞封裝在水凝膠中，水凝膠包含了保持幹細胞完整和不分化所需的所有資源。水凝膠本身提供了一個合適和理想的氣氛，因為它們是多孔的，由水組成，生物可降解。大多數水凝膠是由有機物質組成的，其中一些是多糖如海藻酸鹽或蛋白質如膠原蛋白和纖維蛋白[27]。所有這些都是通過創造一個剛性的形狀來加入水分子或一種液體進入，從而成為水凝膠。然後細胞被封裝到材料中，並開始通過適應新環境來保持內穩態[23,26]。
然而，如果幹細胞不能適應新的環境，它們就會改變環境。歸根結底，這取決於向他們介紹的ECM內部需要什麼，以及它如何影響他們。水凝膠可能看起來很理想，但它可能不能保持一個剛性的，機械堅固的結構。該技術適用於細胞和組織上的單個幹細胞打印;完整的器官可能不會發現它們是有益的。器官本身的複雜性可能會使單靠水凝膠來創造如此精確的結構變得複雜。如果所有這些都失敗了，它們會釋放粒子到基質中發展自己的棲息地，其中一些是細胞生存的基本蛋白質。這一切都是為了幹細胞適應新的環境，確保其生存的自我保證。
一旦幹細胞在其所處的環境中處於內穩態，它們就有可能被用於發育組織甚至器官[28,29]。雖然包覆幹細胞的水凝膠不能創造組織，但生物聚合物或生物材料可以作為補充，創造一個剛性的、獨立的物體。生物聚合物的種類從各種各樣的材料[27]。
為了實現這一點，需要確定創建補充生物材料的特定資格;細胞粘附，低毒，可生物降解，可滲透。例如，當將水凝膠微珠應用到生物材料上時，最好確保結構本身不會破裂。生物材料上的一些粘合劑會通過化學性質連接到水凝膠上，有時也會通過細胞本身連接。
對於單元格搭建，這是一個簡單的過程。細胞會附著在生物材料上，然後植入在活的有機體內慢慢地接管並擴展它的支架材料。這一過程適用於骨骼和硬軟骨組織，但對於功能完整的器官，不應該有任何腳手架。
目前，研究人員正期待創造無支架的器官，這將涉及到使幹細胞占主導地位，並可能接管整個結構，將其降解到[10]。這樣，人造器官的周圍就隻有組織，而沒有生物聚合物。
采用這種方法沒有太多的缺點。一方麵，無支架的器官與組織工程中的方法相似。在組織工程中，幹細胞被培養並播種到由研究人員自己製作的3D支架上，盡管現在它可以用增材製造打印出來。一旦培養的細胞增長到足夠的數量，它們被播種到支架上，細胞彼此附著，吞噬支架。細胞進行調整，分解生物材料，開始形成所需的器官形狀，很可能開始填補器官本身的功能。
聚乳酸(PLA)已被證明是輔助工業使用比臨床。然而，需要注意的是，PLA不是人工合成的，而是自然生長的。聚乳酸是從玉米澱粉和其他此類植物中提取的，經過純化和合成成用於傳統擠壓[32]的長絲。
盡管聚乳酸一般不用於生物材料，但它的一個用途是仿生學。它的材料是機械堅固的，是由自然資源製成的，可以容納水凝膠或類似的微膠囊凝膠。對PLA的毒性水平低[5];記住，玉米澱粉不是一種有太多毒素[2]。
就滲透率而言，它最近已經成為人們關注的焦點。作為一個細胞，它必須能夠通過它的半透膜[23]轉移營養和蛋白質合成以及廢物。不幸的是，研究人員不能使用聚乳酸，因為它的多孔性，因為膜會抑製材料內部的廢物，並可能轉移到人體。
由紅藻形成的藻酸鹽幾乎是一種凝膠，但它的溶膠-凝膠機製使它成為一種機械堅固的結構。它也有廣泛的孔隙分布，允許材料通過濃度梯度在幹細胞的判斷。不幸的是，藻酸鹽不能生物降解或粘合。這種材料本身不具備與其他材料相結合的化學成分，也不具備允許生物降解的能力。
幸運的是，藻酸鹽與幹細胞結合的方法存在漏洞，這可以解釋為什麼藻酸鹽在臨床上使用了這麼久[23,31]。藻酸鹽是一種罕見的生物材料，為了保持它的特性而不妥協，可以使用藥劑添加額外的特性。對於細胞粘附，膠原蛋白可與藻酸鹽混合。膠原蛋白是從韌帶和皮膚中提取的另一種天然生物材料。由於它的彈性和三螺旋結構，它與其他可溶性物質連接到自己[23]。它與海藻酸鹽和水凝膠結合在一起以保持穩定性。
就生物降解性而言，在活的有機體內仍然是一個問題。這並不是說生物可降解性在體外不會的。一種叫做乙二胺四乙酸(EDTA)的劑被應用到海藻酸鹽襯底上。隨著時間的推移，它開始破壞形成支架形狀的內部結構，讓幹細胞壓倒並形成它的形狀。通過找到能夠補充所需組織結構的生物材料，生物材料有能力設計功能完整的組織，甚至器官。
可能是最理想的，透明質酸(HA)擁有幾乎所有生物材料所需要的東西。多糖是天然的，來源於各種不同的生物體[23]。它是可生物降解的，由於它的RGD粘合劑[23]，它允許其他生物附著在它上麵。羥基磷灰石是一種兼容的生物材料，可以在藻酸鹽之上使用，因為它與藻酸鹽所沒有的相反。
不幸的是，有一些東西使材料不同。HA的影響在活的有機體內而且在體外有一點不同[24]。HA的含水量比大多數生物材料都要高，在附著或封裝時可以溶解部分細胞。然而，降解率低於大多數生物材料，使其不容易給予優勢幹細胞培養，將接管生物材料的後印刷。上述屬性的影響不會如此劇烈在體外，但可能會對體內的代謝過程產生長期影響。
知道生物材料有潛力創造臨時支架和適當的微環境，最重要的是如何將水凝膠和生物材料結合在一起，使細胞自由發育組織。不幸的是，這完全取決於具體情況。如果組織是上皮細胞並被注射，幹細胞可以自己生長出活的支架原位[15]。在演示中，這幾乎複製了組織工程師用來通過簡單的微移液和按需滴液來重建上皮組織的方法[33,34]。
一旦細胞被放置到該區域，它們就開始識別它們所處的環境，並開始分化成適當的組織。例如，細胞被簡單地注射進去，剩下的就交給它們的新環境去做。另一方麵，幹細胞可能與生物材料的異質混合物結合，使人聯想到凝膠[27]。這提供了理想的ECM，並鼓勵細胞生長。
當使用這種方法時，與單獨使用幹細胞相比有顯著的優勢[23,33]。在同一個注射幹細胞的實驗室裏原位在開放的傷口上，幹細胞和一些凝膠(其中一種是藻酸鹽)的細胞遷移[15]增加。
雖然這是意料之外的，因為目的是為了證明凝膠的機械魯棒性，但它強調了注入另一種生物材料的細胞增加了細胞遷移，因為處理過的組織在兩周內從42%損傷到3%損傷[15]。細胞之間形成了緊密的結合，然後自然形成上皮層。
除了組織，還需要開發三維的、功能齊全的器官。這裏的方法證明了生物材料與幹細胞很好地結合並促進細胞生長，但沒有證明結構是如何保持完整的[35]。高效的結構和剛性是發展人工器官的主要功能。
有些方法依靠嵌入生物材料本身的結構，使細胞生長在18左右。這是一種可能性，並可能用於創造複雜的大多數器官，如腎髒[14,36]。注意單元格的位置也很重要。沒有過多考慮將單元格封裝到哪裏或將其放置在哪裏。研究指出，細胞的位置不同，在哪裏可能會產生最好或最壞的結果[21,37,38]。
首先，重點是細胞分化和空間分布，以獲得幹細胞的最大潛力。這主要涉及接管生物材料支架的細胞培養，這將對細胞之間的相互作用產生後續影響。例如，如果一個器官要進行生物打印，將會使用不同的組織類型。每個幹細胞不應該成為相同的細胞類型，而應該成為不同的細胞類型。
此外，空間分布取決於每個組織所在器官的確切麵積。在打印過程中，生物材料還可能包含影響特定分化的製劑或蛋白質。所有這些因素都是至關重要的，使組織的所有工作係統同步在一起，從而使組織自身無縫地運行。
當研究生物打印時，當幹細胞和生物材料從三維打印機分發時，需要解決三個因素:(1)作用在材料和分發器上的力，(2)分發器的時間，(3)細胞沉積。所有這些都是成功構建有機組織或人工器官的關鍵。然而，有許多方法已經被測試用來使用改良的打印機、擠壓機，甚至激光來製造組織[28,29,35]。下麵將更深入地討論用於實驗的打印機方法的優缺點(圖2)。
圖1:最常見的幹細胞類型。每一個都有自己獨特的路徑，包括幾種可能的描述。A)體細胞，也被稱為成體幹細胞，不會分化成不同類型的細胞。相反，它們停留在細胞所在的生態位內的細胞群中。它能夠再生和恢複它所屬的特定組織。體細胞幹細胞可以在身體的許多地方找到，這取決於每個組織的生態位位置。B)多能幹細胞是指可以分化成任何類型的細胞並在任何類型的組織中茁壯成長的幹細胞。胚胎幹細胞是這一類中最常見的。這些細胞具有特定的特性，可以產生細胞的三個胚層。C)多能幹細胞與多能幹細胞相似，但要自我更新，它必須分化成一種不同類型的細胞。 This specializes them and their self-renewing property is makes them capable of producing a few more cycles. Multipotent stem cells are more commonly found in bone and cord blood.
其中最常見的、為工業目的製造的、最受歡迎的是三維擠壓[7,32,39]。通過使用壓電壓力閥和xyz軸，擠壓接受大多數生物材料和幹細胞，形成一層一層的沉積。當對象被創建，用戶有能力控製擠壓速度，熱力學性質，和單元放置。
製造組織本身也很有效。借助於CAD/CAM軟件[40]，一個組織或器官可以被計算機斷層掃描(CT)生成藍圖和目標點，細胞將定位[32]。時間也是合適的，因為用戶可以控製單元格的放置時間。這為溶膠凝膠化提供了一個優勢，如果水凝膠是擠壓通過材料，以便他們不脫水時，放在印版頂部。
在擠壓過程中有一些爭論，因為大多數擠壓機與熱端配對，而板本質上是一個熱床[32]。通過客戶端軟件，用戶可以控製是否需要使用熱力學。材料是否應該低溫冷凍取決於實驗和低溫冷凍對幹細胞的影響。有一個選項可以禁用熱力學來存儲細胞，並在以後的時間使用它們(生物材料不需要這樣做)[41]。
此外，壓電擠出機的剪切力也是一個值得關注的問題。當一種材料被移開時，它通過擠出機形成粘性液滴。在這樣做的過程中，有一些力作用在它上，使材料變得堅硬和精確，從而使它不會濺射到板上[34,42]。然而，這可能是一個風險，因為一些細胞被記錄在擠壓後活力下降。此外，應該有足夠的細胞吞噬生物材料形成的結構，但這還需要其他研究小組的更多統計數據來證明。
最後，可以對擠出機進行一些改進，其中一些可以分配高粘度的材料。這種新發現的微擠出機模仿微移液，能夠產生更精確的指紋，並在重現複雜的器官特異性組織功能方麵具有優勢[8,27]。科學家們還開發了一種壓電微流控芯片[34]，它借鑒了微移液的思想，減少了平板和擠出機之間的接觸力。
與擠壓類似的是傳統噴墨印刷。紙質打印機的原理是一樣的，但是生物墨水代替了墨盒[43]，而不是使用墨水和碳粉。
不使用印版，而是將溶劑噴到印版的基礎上，印版將在[41]上分散。噴墨印刷與擠壓印刷有細微差別。生物墨水不是一次釋放一種材料，而是噴到一個特定的形狀，然後壓成設計好的幾何形狀。溶劑交聯使生物油墨與結構形成設計的形狀。組織和細胞已經成功地從這個過程中打印出來。
也許最重要的噴墨技術是生物墨水，一種由細胞、蛋白質和液體組成的非均質液體，用來給微環境補水。在三維打印擠壓時代到來之前，噴墨技術在2000年代中期得到了廣泛應用。在此之前，Atala[44]博士開發了一種使用噴墨打印技術製造心髒瓣膜的方法，這啟發了幾位科學家嚐試同樣的方法。
噴墨打印在生物材料上的優勢類似於擠壓打印，打印可以根據用戶的意願進行控製，並由辦公軟件進行引導。與擠壓不同，印版避免與印版直接接觸，而是借助溶劑引導細胞遷移。可能的缺點是細胞裂解[35,41]。它在被打印時對細胞沒有顯著的影響，但作用在細胞膜上的液體濃度會導致細胞破裂。然而，在最近的一項研究中，大約10%的細胞裂解了[41]。其原因可能與生物墨水中水凝膠的數量直接相關。
激光輔助印刷是所有印刷方法中最複雜的，是印刷的一個不同領域。該方法從兩個載玻片開始，一個是供體載玻片，載玻片中的細胞被包裹在水凝膠中，另一個是收集器載玻片，後者含有額外的水凝膠層，以減少激光能量轉移的影響[35,45]。當激光被激活時，它會射入覆蓋在細胞上的金膜，防止細胞被破壞。這種能量開始吸收供體載玻片上的水凝膠並將它們轉移到收集器載玻片上。根據用戶的CAD/CAM設計，細胞被轉移到特定的位置並沉積。
具有諷刺意味的是，激光可能對細胞活力沒有影響[11,45]。當細胞被吸收時，鍍金作為能量吸收的保護罩，並放置在指定的[11]。它確實引入了一項新技術，並且更關注通過激光能量對細胞的吸收。
與激光輔助打印類似，光聚合利用光能來創建物體[46]。這些材料被放入樹脂槽中，覆蓋在樹脂槽上的是板。該物體使用UVA光打印，根據材料的橫截麵光聚合材料。隻要UVA擊中材料就會變硬，當UVA閃爍時，底板就會升起來顯示物體[5]。
該打印機最大的優點是能夠快速吸收光能和硬化細胞，這一過程比大多數傳統三維打印機更快[5,47]。打印方法的缺點是UVA輻射。如果輻射足夠強，裏麵的幹細胞可能會分化並致癌。在一項測試中，研究人員在3天內通過細胞毒性測試測量了UVA輻射對細胞的影響。隨著時間的推移，研究人員發現，大多數細胞確實在這個過程中死亡，隻是在細胞的“滯後期”後自我更新。“[46]。最終，幹細胞開始培養，並在生物材料中過度繁殖以供降解。
最大的缺點是它隻針對二維微環境設計。細胞需要在三維微環境中生長在活的有機體內條件。由於事實並非如此，這種方法與創建組織和器官的使用無關(圖2和圖3)。
圖2:擠壓三維打印方法和他們所生產的印刷品。逐層擠壓是創建三維物體的一種傳統方法。它將對象劃分為幾個橫截麵，並在適當的橫截麵區域中添加一層。噴墨印刷和擠壓印刷利用這種方法，具有最高的精度。一滴一滴的擠壓幾乎可以與單元格的腳手架相媲美。在打印過程中，支架通過柔性生物材料生成在打印表麵上。在打印過程中，一個額外的噴嘴擠壓含有細胞的納米顆粒。一旦生物材料被放置到打印機床上，液滴噴嘴就會小心地將細胞放置到物體上，形成細胞培養。連續層擠壓是一種尚未充分發揮其潛力的新方法。從本質上講，一個盤子慢慢地從粘性液體上方升起。 As it escalates, the material is photopolymerized by UVA light from beneath the plate. As photopolymerization occurs, crosssectional layers are made and keep their rigidity, which keeps it stuck to the plate until the object is fully extruded.
圖3:對於每種擠出方法，每個擠出機都有不同的力和技術。沒有一種擠出機被認為是相同的方式，因為每一種都是特定的生物材料打印。噴墨生物打印機可以使用壓電致動器來施加快速擠壓的力或熱熔化材料，因為它以簡潔的方式滴到表麵。微擠出是一種比噴墨生物打印機更特殊的擠出機。由於材料要小得多，可以用不同的力來分配材料。包括氣動、螺杆和活塞。激光輔助印刷是以前那些擠壓方法所特有的。通過使用激光，粒子從能量吸收層引導到供體載片。在這個過渡過程中，粒子聚集在載玻片上而不被激光損壞
無論選擇哪種方法，都是安全的進行三維幹細胞組織或器官。每種方法都有一定的優點和缺點，但都能從它們的係統中得到最好的結果(表1)。然而，對於如何設計和創建這些模型，有幾點需要考慮。當幹細胞在生物材料中過量繁殖時，它會自然降解，產生新的組織。
表1:生物材料與幹細胞的生物打印方法分析
然而，當細胞曾經存在的微環境被破壞後，新的組織如何作為一個係統一起工作?這就是研究人員所說的血管化，在這個過程中，血管係統被引入到係統中。這包括靜脈、毛細血管和其他過濾和轉移物質到組織中的血液通路。幹細胞環境是否能夠重建血管係統還不確定，因為細胞被設計成分化成組織細胞類型。
到目前為止，關於人工組織血管化的方法已經發表的很少[31,47]，其中一種方法包括手工人工創建血管係統。當材料沉積在打印機底座上時，血管移植物和毛細血管被放置在擠出機下麵，被新材料包圍，它將在周圍生長。一旦生物材料降解，我們的想法是讓幹細胞不僅分化成組織細胞類型，而且分化成血管類型。這可能涉及到需要創造一種獨立的生物材料，影響血管移植物的分化。關於這個話題還有很多話要說。
另一個需要考慮的問題是在體外而且在活的有機體內幹細胞的環境。一方麵，幹細胞可能會按計劃在打印後分化，似乎可以接受移植。
然而，關於移植的效果幾乎沒有任何發現在活的有機體內．2011年，維克森林大學(Wake Forest University)的阿塔拉(Atala)博士在一名名叫盧克(Luke)的學生身上展示了這種技術。盧克接受了人工肝髒移植在體外用噴墨打印機。盧克現在還活得好好的，到目前為止還沒有出現任何臨終問題。Atala博士的方法被簡短地發表過，因此無法確定他確實使用了什麼材料或細胞[6,7,10]。
模擬人體內穩態功能的環境是確定人工組織功能的最佳方法。這將大大降低哺乳動物試驗的風險和植入的風險。目前還沒有找到一個模型，如果身體遭受感染，它將刺激血管化、代謝過程和免疫反應。考慮到所有的因素，這些隻是模擬環境的一部分。
最後，還需要考慮幹細胞的影響和它們分化成不需要的細胞的可能性。上述的打印方法可以破壞細胞，但在某些情況下，幹細胞可能致癌。例如，光聚合打印中的UVA輻射可以產生一種致瘤細胞類型，幹細胞可能過度繁殖成類似的譜係，從而破壞組織和破壞模型。同樣的情況也適用於擠壓，這取決於用戶對熱力學的選擇。擠出機的熱端可以達到高達200℃的溫度，這可能會在擠出過程中引起幹細胞的負麵反應。最後，幹細胞打印有一些地方需要改進。使用的方法是足夠的，但有些複雜的地方需要改進。
無論選擇哪種方法，最關鍵的是要理解幹細胞在微環境中的使用以及與之相輔相成的生物材料。
作者要感謝國家衛生研究院的國家普通醫學科學研究所的獎項編號;8 ul1gm118979-02;8 tl4gm118980-02;8RL5GM118978-02，以及加州州立大學長灘分校工程學院啟動基金、迷你助學金/夏季助學金(MGSS)助學金和種子助學金。
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文章類型:評論文章
引用:賈甘J, Fraze C, Stout DA(2016)三維幹細胞生物打印。細胞幹細胞再生醫學2(2):doi http://dx.doi。org/10.16966/2472 - 6990.110
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