手术中生物打印手术环境下的组织与器官修复
术中直接3D生物打印技术（下文简称“术中打印”）可以通过快速获取受损部位的信息，在活体上进行生物打印修复受损组织器官，是一种高效的生物打印策略。对于需要进行组织切除、创伤重建或骨折修复的患者，术中进行受损部位的扫描和生物打印对于提高修复的准确性和效率具有很大的潜力。近期，哈尔滨工业大学（深圳）的吴洋教授连同美国宾夕法尼亚州立大学的IbrahimT.Ozbolat教授与DinoJ.Ravnic教授在TrendsinBiotechnology杂志上发表了题为“IntraoperativeBioprinting:RepairingTissuesandOrgansinaSurgicalSetting”的观点性综述文章，从工程和临床的角度为读者介绍当前术中打印的主要局限，以及未来其从实验室到临床转化的潜力，并着重展开介绍血管化组织和复合组织的术中打印。一、从体外生物打印到术中打印在过去的十年中，生物打印技术取得了长足的进步，并在不同组织工程领域得到应用，如组织再生、血管形成、药物筛选和疾病建模等。然而，大多数生物打印工作是在体外进行，需要在体内进一步验证。虽然器官直接打印入人体仍十分困难，但科研人员已做出了一些尝试。术中打印，也称为原位打印或体内生物打印，是指在手术中对活体进行生物打印的技术，包括缺损部位成像、数据处理、工艺路径规划和生物打印等在整个手术过程中的有序进行。组织替代物的术中打印得益于其可以在解剖学上准确地重现复杂组织的异质性。尽管术中打印尚未临床化，但在生物打印技术的快速发展以及不同领域研究人员的共同努力下，该领域正在稳步地发展。术中打印有诸多优势。首先，基于水凝胶或细胞聚集体的组织替代物由于其富水特性，初始机械性能通常较弱，使得其在手术操作过程中容易被破坏甚至解体。相反，借助逆向工程方法实现植入体的实时设计，术中打印可以最大限度地降低缺损修复中的污染、结构体崩解和手动干预带来的风险。更重要的是，术中打印可以应对临床上由于清创或组织切除而产生的具有不规则平面的组织缺损。相比之下，体外生物打印通常假设工作表面平整，与临床情况不符。此外，由于术中打印修复的结构被天然组织包裹，内源性细胞通过生物化学与物理方式的诱导，可以迁移到打印的结构中，并分化成具有靶组织特异性的谱系。另外，与手动注射生物材料进入缺损部位相比，术中打印可以精确地沉积细胞、基因或细胞因子，实现局部结构的精确控制与解剖学仿生。对于异质细胞形成的组织及区域分层排列的细胞外基质，术中打印具备精确重构多层结构的能力，这是使用手动方式难以实现的。最后，水凝胶的形状变形（例如皮肤再生过程中胶原蛋白的收缩）也是生物打印结构在体外成熟过程中面临的问题。此外，细胞在体外培养过程中会重塑基质，并最终改变甚至破坏预先设计的形态。因此，术中打印的优势也体现在体内整合过程中再生组织可能占据由于打印结构收缩产生的空隙，并调节基质的重塑。二、术中打印的最新进展尽管术中打印的概念在年就首次被提出，但由于在活体上进行生物打印难以实现，后续较少有相关的研究报道。相对于植入预先制备的结构体，术中打印对生物墨水的制备、生物打印设备、灭菌和手术操作提出了更高的要求。到目前为止，研究人员已运用术中打印针对软骨、骨骼和皮肤的修复进行了一些尝试。例如，手持式生物墨水挤出设备已被分别用于羊的软骨修复模型（图1A）和猪与鼠的皮肤修复模型。尽管材料沉积过程是手动进行的，但手持设备提出了一套完善的策略以减少水凝胶交联所需的外部设备。在骨骼修复方面，Keriquel课题组使用自主开发的激光生物打印系统在小鼠颅骨缺损模型中进行术中打印（图1B）。在他们的后续研究中，术中打印产生了组织化的微血管网络和颅骨缺损的骨再生。目前，由于皮肤的易接触性与强大的再生能力，术中打印最成功的案例大多与皮肤修复相关。近来，Albanna课题组开发了一款集成了生物成像技术的移动式皮肤生物打印系统，并对小鼠和猪的全层皮肤伤口模型进行了修复（图1C）。下文将重点介绍目前术中打印在工程和临床方面的主要局限，并突出阐述其在血管化组织和复合组织重建中的临床转化潜力。
图1各种术中打印技术在不同组织修复中的应用
三、术中打印的
