作者：多维打印高效材料研发中心/生医系 沈育芳助理教授

在过去的研究中，有两种主要方法用于组织和器官的生物制备：基于支架的和无支架生物打印。基于支架的生物打印是将细胞印刷在外源性生物材料基质，如: 水凝胶中，以支持其生长、增殖和相互作用。基于无支架的生物打印则是不使用外源生物材料，以利细胞间能够进行三维网络的相互作用。此外，细胞聚集团块被限制在印刷的模具结构中，以使它们聚集和分泌细胞外基质成分，进而使其融合和成熟到组织生成[1]。表一是基于支架和无支架的生物打印技术在打印过程、生物墨水及终端产物之优缺点比较。尽管无支架的生物打印技术之打印程序及生物墨水的制备都较为困难，但制成的终端打印成品具有较高的细胞间交互作用及仿生度，因此被认为在发展器官打印上具有高度的未来可能性。

无支架的生物打印技术三个重要组成部分为生物墨水(bioinks)，生物纸(biopaper)和生物打印机(bioprinter) (图一)。 生物纸是基质，如胶原和营养，而生物墨水是自组装的3D细胞/组织球体，也是其中最重要的组成。 生物打印是近年来兴起的生物制造技术，然而3D组织球体几十年来已经被用作生物医学和肿瘤研究中的体外3D模型系统。

过去制造3D组织球体的方法[4]有: 液体复盖技术、悬滴技术、微阵列模板、磁性细胞悬浮技术、细胞载体或细胞接种的基质和支架技术及搅拌技术，但都非可有效快速扩展及制作标准化尺寸的技术。虽然已有各种组织球体生物制备方法[5]，但是要应用在组织工程和器官打印的球状体生物制造方法，必须制定适当的标准或明确的规范[6]。首先也是最重要的，它必须是可扩展的技术。第二，这些球体的尺寸必须最大限度地标准化，以使它们可加工或通过生物打印机喷嘴或其他方式不会被堵塞或破坏。第三，组织球体生物制造的方法不能诱导明显的细胞损伤和/或DNA损伤。第四，组织球体生物制造的方法不能损害组织球体的组织融合能力。最后，生物制造方法必须足够灵活，以便产生复杂复合结构的组织球体的多样性。由于现行的3D组织球体的生物制造方法都非可有效快速扩展的技术[5]，因此开发3D组织球体或3D组织积木的生物制造方法为目前研究的重要目标，亦是帮助无支架的生物打印技术发展的重要要素。

使用外源性支架或基于细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的材料在当前的组织发展上仍有限制。支架可引起不利的宿主免疫或发炎反应并干扰直接的细胞与细胞间的相互作用，以及细胞产生的ECM的组装和排列。因此无支架式的生物打印技术及生物自组装方法是目前组织工程的发展重点。在2009年，Norotte的研究团队以平滑肌细胞和成纤维细胞的3D组织球体进行小直径血管重建(图二)[7]。在2014年，Tan的研究团队以3D组织球体（含有平滑肌细胞和内皮细胞）和海藻酸盐(alginate)水凝胶(hydrogel)应用于血管组织制造(图三)[8]。在2017年，Yurie的研究团队使用人类皮肤成纤维细胞(normal human dermal fibroblasts， NHDF)[9]，并将增长后的细胞制备成细胞积木，制造神经导管，帮助神经修复(图四)。这些研究显示，无支架式的生物打印技术是准确，可靠和可扩展，并且它不限于管状生物结构。

透过以上三个案例，可以发现透过无支架式的生物打印技术的应用，使得组织工程与再生医学领域有更进一步的发展。本校生医系沈育芳助理教授团队之研究主轴专注于3D组织积木制程与材料开发，及无支架式的生物打印系统开发应用。若各位业界先进有任何需求也可与沈教授进行连络（沈育芳，cherryuf@asia.edu.tw）。

参考文献

1. Norotte, C., et al., Scaffold-free vascular tissue engineering using bioprinting. Biomaterials, 2009. 30: p. 5910-5917.

2. Ozbolat, I.T., Scaffold-Based or Scaffold-Free Bioprinting: Competing or Complementing Approaches? Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine, 2015. 6: p. 024701.

3. Chia, H.N. and B.M. Wu, Recent advances in 3D printing of biomaterials. Journal of Biological Engineering, 2015. 9: p. 4.

4. Santo, V.E., et al., Drug screening in 3D in vitro tumor models: overcoming current pitfalls of efficacy read-outs. Biotechnology journal, 2017. 12.

5. Lin, R.-Z. and H.-Y. Chang, Recent advances in three-dimensional multicellular spheroid culture for biomedical research. Biotechnology journal, 2008. 3: p. 1172-1184.

6. Mironov, V., et al., Organ printing: tissue spheroids as building blocks. Biomaterials, 2009. 30: p. 2164-2174.

7. Norotte, C., et al., Scaffold-free vascular tissue engineering using bioprinting. Biomaterials, 2009. 30: p. 5910-5917.

8. Tan, Y., et al., 3D printing facilitated scaffold-free tissue unit fabrication. Biofabrication, 2014. 6: p. 24111.

9. Yurie, H., et al., The efficacy of a scaffold-free Bio 3D conduit developed from human fibroblasts on peripheral nerve regeneration in a rat sciatic nerve model. PloS one, 2017. 12: p. e0171448.