今天的3D打印机根据所使用的材料类型以及要打印的对象而有很大的不同。3D打印最广泛使用的形式是熔融沉积建模(FDM)，通过将多层薄层材料从头开始堆叠来制造有形结构。为此，首先在计算机上使用计算机辅助设计(CAD)软件从头开始构建三维数字模型，或者从单个或组合CT、PET、MRI或超声图像导入并以3D方式重建。CAD软件将这个数字模型转换为实际尺寸，然后将其渲染为STL(立体平版印刷)文件——大多数3D打印机都能理解的典型格式。模型被简化为多个二维切片，这些切片的数据被发送到打印机进行一层一层的重建。如今有大量不同的材料被用作“墨水”，每一种都有自己的特点;质地、硬度、半衰期和生物相容性。这些具有生物相容性的材料子集是研究人员在开发全功能组织和器官时特别感兴趣的。
生物打印的出现已经在3D打印的医疗领域获得了关注，因为它的应用范围，有希望的结果，以及它的巨大潜力。
3D打印在医疗领域的目标之一是使可定制的组织替换成为主流。虽然我们还没有实现大规模生产的一致方法，但已经有了几个有希望的步骤。例如，维克森林大学再生医学研究所已经成功打印出定制的耳朵、骨骼和肌肉结构。在2017年的一项研究中，Bulanova等生物打印的自血管化的全功能小鼠甲状腺球体。他们通过将其移植到甲状腺功能减退小鼠的肾包膜下，恢复了血液T4水平和体温，证明了他们的生物打印结构的能力。虽然生物打印组织的血管化一直是一个难题，但这项研究的结果代表着器官打印技术的发展向前迈出了重要一步。
Duan和他在康奈尔大学的团队报告了一种使用3D生物打印和多个瓣膜细胞群制造活心脏瓣膜的方法。为此，他们收获并培养了猪主动脉瓣间质细胞(VIC)和人主动脉根平滑肌细胞(SMC)。每个细胞培养都与海藻酸盐/明胶凝胶混合，并装入3D打印机内的单独注射器中。从导入的CT图像重建瓣膜，3D打印机分别在小叶和根之间交替挤压VIC和SMC。其结果是一个机械坚固的活三叶心脏瓣膜，具有很高的生存能力。但这些方法在扩大规模之前还有一段路要走。
Tandon博士和EpiBone团队正在设计定制骨模型，他们在临床应用方面的进展受到了广泛关注。他们的专利工艺包括3D打印一个精确的骨骼复制品，然后用脱细胞动物骨骼替换。然后用从人体脂肪组织中获得的干细胞浸渍该支架，并在定制的生物反应器中培养3周。在此期间，干细胞成熟为成骨细胞，用活组织定植并重塑支架，然后可以植入而不用担心排斥反应。他们目前正在修改这一过程的软骨和骨软骨构造。
我们在西奈山伊坎医学院的团队最近成功地移植了生物工程的周向气管移植物。为了推进我们之前修复部分气管缺损的工作，我们设计了一个熟练的研究平台，使用3D打印为大型动物模型制作易于定制的周向气管置换节段。该平台有助于加快接枝的设计和制造，并促进进一步的研究。从本质上讲，术前CT扫描获得的尺寸用于CAD软件生成3D模型。该模型3D打印为尺寸匹配的聚己内酯(PCL)支架，其管腔内内衬细胞外基质胶原蛋白层。3D生物合成移植物的制作与天然器官的保真度很高，可以在36小时内完成。在猪模型中，我们的移植物已被证明能很好地融入活的原生组织，并具有广泛的血管化。尽管如此，我们注意到大量的肉芽组织仍然是气管移植的致命弱点。我们正在努力设计一种方法，以实现最小的肉芽组织与加强移植整合。
在生物打印领域已经报道的有希望的结果激励了研究人员在组织工程的发展中迈出下一步。一个已经被探索并取得一些成果的途径是组织自组装。Kirillova等已经开发出一种方法来创建自折叠管，其直径可定制，小至20µm，与人体中最小的血管相当。这可能最终有助于克服目前组织结构的血管化问题。威尔金森等加州大学洛杉矶分校的研究人员创造了一种新的技术，用于生成生物反应器辅助的自组装肺组织，用于疾病建模，他们打算将其用于研究个性化肺部疗法。
虽然看起来很未来，但术中实时生物打印的应用已经取得了成功，尽管只是小规模的。Di贝拉等已证明的可行性原位使用手持“biopen”修复绵羊软骨缺损的生物打印。他们的概念验证研究可能被证明是再生医学领域的一个历史性里程碑，最终导致原位更大结构的生物打印，包括器官。
医学界在3D打印和生物打印方面取得了许多重大进展，甚至令人难以置信。虽然这些技术仍处于起步阶段，但它们已经让人们深入了解细胞机制，促进了当前治疗方法的发展，并为未来的发展设定了标准。尽管我们正朝着正确的方向前进，但仍有大量未知的信息有待学习，技术有待发现。在医学领域，从未有过如此激动人心的时刻，但我们只触及了其深度的表面。
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Faiz Bhora医生是纽约的胸外科专家。
