作者：多維列印高效材料研發中心/生醫系 沈育芳助理教授

在過去的研究中，有兩種主要方法用於組織和器官的生物製備：基於支架的和無支架生物列印。基於支架的生物列印是將細胞印刷在外源性生物材料基質，如: 水凝膠中，以支持其生長、增殖和相互作用。基於無支架的生物列印則是不使用外源生物材料，以利細胞間能夠進行三維網絡的相互作用。此外，細胞聚集團塊被限制在印刷的模具結構中，以使它們聚集和分泌細胞外基質成分，進而使其融合和成熟到組織生成[1]。表一是基於支架和無支架的生物列印技術在列印過程、生物墨水及終端產物之優缺點比較。儘管無支架的生物列印技術之列印程序及生物墨水的製備都較為困難，但製成的終端列印成品具有較高的細胞間交互作用及仿生度，因此被認為在發展器官列印上具有高度的未來可能性。

無支架的生物列印技術三個重要組成部分為生物墨水(bioinks)，生物紙(biopaper)和生物列印機(bioprinter) (圖一)。 生物紙是基質，如膠原和營養，而生物墨水是自組裝的3D細胞/組織球體，也是其中最重要的組成。 生物列印是近年來興起的生物製造技術，然而3D組織球體幾十年來已經被用作生物醫學和腫瘤研究中的體外3D模型系統。

過去製造3D組織球體的方法[4]有: 液體覆蓋技術、懸滴技術、微陣列模板、磁性細胞懸浮技術、細胞載體或細胞接種的基質和支架技術及攪拌技術，但都非可有效快速擴展及製作標準化尺寸的技術。雖然已有各種組織球體生物製備方法[5]，但是要應用在組織工程和器官列印的球狀體生物製造方法，必須制定適當的標准或明確的規範[6]。首先也是最重要的，它必須是可擴展的技術。第二，這些球體的尺寸必須最大限度地標準化，以使它們可加工或通過生物列印機噴嘴或其他方式不會被堵塞或破壞。第三，組織球體生物製造的方法不能誘導明顯的細胞損傷和/或DNA損傷。第四，組織球體生物製造的方法不能損害組織球體的組織融合能力。最後，生物製造方法必須足夠靈活，以便產生複雜複合結構的組織球體的多樣性。由於現行的3D組織球體的生物製造方法都非可有效快速擴展的技術[5]，因此開發3D組織球體或3D組織積木的生物製造方法為目前研究的重要目標，亦是幫助無支架的生物列印技術發展的重要要素。

使用外源性支架或基於細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的材料在當前的組織發展上仍有限制。支架可引起不利的宿主免疫或發炎反應並干擾直接的細胞與細胞間的相互作用，以及細胞產生的ECM的組裝和排列。因此無支架式的生物列印技術及生物自組裝方法是目前組織工程的發展重點。在2009年，Norotte的研究團隊以平滑肌細胞和成纖維細胞的3D組織球體進行小直徑血管重建(圖二)[7]。在2014年，Tan的研究團隊以3D組織球體（含有平滑肌細胞和內皮細胞）和海藻酸鹽(alginate)水凝膠(hydrogel)應用於血管組織製造(圖三)[8]。在2017年，Yurie的研究團隊使用人類皮膚成纖維細胞(normal human dermal fibroblasts， NHDF)[9]，並將增長後的細胞製備成細胞積木，製造神經導管，幫助神經修復(圖四)。這些研究顯示，無支架式的生物列印技術是準確，可靠和可擴展，並且它不限於管狀生物結構。

透過以上三個案例，可以發現透過無支架式的生物列印技術的應用，使得組織工程與再生醫學領域有更進一步的發展。本校生醫系沈育芳助理教授團隊之研究主軸專注於3D組織積木製程與材料開發，及無支架式的生物列印系統開發應用。若各位業界先進有任何需求也可與沈教授進行連絡（沈育芳，cherryuf@asia.edu.tw）。

參考文獻

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.