综述：通过多材料生物打印技术构建异质性组织与器官：进展、挑战与机遇

《Acta Biomaterialia》：Engineering heterogeneous tissues and organs via multi-material bioprinting: Advances, challenges, and opportunities

　　摘要：天然组织和器官在结构、成分及功能特性上存在内在的异质性，这为开发有效的功能性替代物带来了巨大挑战。多材料三维生物打印技术作为一种有前景的解决方案，能够实现对生物材料、信号因子以及不同类型细胞的精准空间控制，从而有助于构建具有类似天然组织复杂性的异质性组织结构。尽管当前的技术限制使得实现亚微米级别的结构仿生仍面临困难，但近期在多喷嘴系统、多墨水平台以及异质细胞聚集体等方面的进展，显著提升了再现组织异质性的精度与可扩展性。本综述全面介绍了多材料生物打印的基本概念与分类方法，并选取了骨软骨组织、气管、肝脏和心脏四种具有代表性的异质性组织/器官进行深入探讨，因为它们在临床应用中的重要性日益凸显，且其复杂的结构与生理特性给生物打印技术带来了更多挑战。此外，还涉及了这些组织/器官生物打印过程中的关键问题，包括硬度、界面连接、生物学功能以及血管化等方面。同时，本文也分析了该领域目前面临的挑战，并对多材料生物打印技术的发展趋势及潜在突破进行了展望。

意义阐述：本综述详细阐述了用于构建异质性组织与器官的多材料生物打印策略，提出了从结构、成分到功能等多个层面对于异质性的分类与定义，既涵盖了天然组织，也包括三维生物打印技术。文中还探讨了多种三维生物打印技术，包括基于喷嘴与非喷嘴的技术，以及它们在各类代表性异质性器官中的应用。通过分析现有局限性与未来机遇，本文为不同多材料生物打印技术下的异质性组织构建策略提供了系统的分类框架，有助于推动下一代异质性组织与器官的设计与制造进展。

引言：癌症、创伤和先天畸形等疾病会对人体组织和器官造成损伤与缺陷，严重威胁生命安全。由于再生能力有限，目前的修复方法仍依赖于自体移植和同种异体移植[1]。然而，诸如患者数量与供体器官不足、以及需要长期服用免疫抑制剂等问题依然存在。因此，寻找可用于组织修复与再生的生物替代物已成为提升公共卫生水平的重点任务[2]。天然组织的结构复杂性源于其高度异质的组成，包括多种细胞外基质成分、不同的实质细胞与间质细胞以及大量生物分子[3]。异质性是大多数组织与器官的典型特征，在组织学层面便可观察到。具体而言，构建异质性组织所涉及的工程因素可分为多个层级，包括分子层面、细胞层面、材料层面以及生物打印策略层面，涵盖从特定组分到整体系统的各个范畴（见图1）。这一框架有助于通过整合微观环境、细胞、结构及功能层面来重建异质性组织，不过要同时在所有层面实现完全仿生的功能仍然是一项艰巨任务。由于工程因素的多样性，为再现天然组织的解剖结构与异质性提供了足够广阔的设计空间，但如何在结构复制与长期功能成熟之间架起桥梁仍是主要瓶颈。文中将通过典型组织与器官的例子，说明如何利用异质性生物打印技术来重建复杂的组织结构与功能。例如，骨软骨界面在组织学上呈现出典型的异质性结构，表现为从软骨到软骨下骨的连续梯度过渡。这种由透明软骨、钙化软骨及软骨下骨构成的复杂结构，伴随着胶原排列方向的逐渐变化，使得机械负荷能够从具有弹性的软骨有效传递到坚硬的骨骼[4]。此外，气管也是具有独特异质性的器官代表。从生理学角度而言，气管由C形软骨环、O形血管化纤维环、背侧轴向纤维束以及内部气道上皮组成，这些结构使其能够适应呼吸与运动过程中的机械应力[5]。虽然有些组织在组织学上呈现均匀结构，但其组织化学成分却存在显著差异。以肝脏为例，肝小叶是肝脏的基本结构与功能单位，由围绕中央静脉呈放射状排列的肝细胞群组成。位于门管区的细胞与周围区的细胞有所不同，因为前者具备特定的酶、转运蛋白、受体及亚细胞结构，因而具有不同的功能，这一现象被称为代谢区带模型[6]。另外，人体内的复杂网络（如血管化与神经支配的组织）在组织学与组织化学层面都表现出异质性，表现为结构分层与功能分化[7]。例如，心血管系统由动脉、静脉以及复杂的毛细血管网络构成[8]，而且大多数血管都具有典型的分层结构。因此，在组织工程中实现生物活性材料的空间分隔式整合对于再现人类生物系统的复杂性至关重要。除上述组织与器官外，心脏因其重要的生理功能以及极其复杂的异质性结构与成分，也是构建异质性组织的典型模型。因此，实现有效的心脏修复与再生仍是组织工程领域的核心挑战。

近年来，三维生物打印技术在模拟天然组织与器官的复杂异质性方面取得了显著进展与创新[9]。该技术能够精确地分布和定位生物材料、信号因子以及不同类型的细胞，实现高密度填充，并能针对性地整合多种生物活性材料[10]。多材料生物打印技术的快速发展，如多喷嘴系统[11]、多墨水盒[12]以及异质细胞聚集体[13]，提升了再现天然异质性组织的结构与形态特性的能力，不过要在多种细胞类型间实现真正的生理同步仍属于实验阶段。此外，现有方法在模拟天然人体细胞外基质的纳米级异质性及层次化结构方面仍存在可扩展性限制[14]。同时，如何整合并维持多种组织类型以及可靠的循环与血管系统，也是一大挑战。已有不少综述文章总结了多材料生物打印领域的最新进展，主要聚焦于打印技术、生物墨水开发以及生物医学应用等方面[[15], [16], [17], [18]]。尽管这些综述做出了重要贡献，但大多仅根据制造技术或材料体系对生物打印方法进行分类，而较少探讨如何系统整合不同的工程策略，以重现天然组织与器官的结构与功能异质性。在天然生物系统中，组织异质性体现在多种细胞群体的空间分布、细胞外基质组成、生化信号、机械性能以及分层的功能界面等方面。在组织工程与再生医学领域，重现此类异质性仍是一项重大挑战。因此，本综述系统梳理了利用生物打印技术构建异质性组织与器官的当前进展，重点介绍了关键的多材料生物打印策略及其在体外组织建模与功能恢复（如血管化与神经再生）等生物医学应用方面的成果。随后，还将探讨利用各种生物打印技术构建心脏、气管、肝脏及骨软骨组织等异质性器官的最新进展。选择这些组织与器官是为了体现多材料生物打印中所遇到的不同形式的生物学与结构异质性。之所以特别挑选骨软骨组织、气管、肝脏和心脏，是因为它们各自面临着不同的工程挑战，包括梯度界面设计、软硬组织整合、血管复杂性、多细胞结构组织以及生理功能的同步实现等。本文并非要全面介绍所有经过生物打印的组织，而是通过这些典型案例来突出该领域面临的代表性挑战及正在出现的解决方案。虽然皮肤与血管组织等重要系统也与异质性生物打印密切相关，但由于篇幅限制未作详细讨论。此外，本文还分析了构建异质性组织与器官过程中可能面临的挑战，并对生物打印技术未来的发展趋势进行了展望。需要指出的是，尽管本文未涉及使用去细胞化细胞外基质支架的生物打印方法，但重点仍在于探讨当前生物打印技术是如何通过整合不同工程策略来实现异质性的。

章节摘录：

构建异质性组织与器官的生物打印策略：三维生物打印技术可用于构建异质性组织与器官，主要可分为三种方式：基于液滴的生物打印（DBB）、基于挤压的生物打印（EBB）以及基于光的生物打印（LBB）[19]。简而言之，DBB和EBB分别以添加方式生成并沉积液滴和细丝，而LBB则通过选择性光聚合液态材料来实现固体结构的生物制造。

多材料生物打印在构建异质性组织/器官中的应用：天然人体组织与器官具有异质性，而上述多材料生物打印技术则在精确控制细胞的空间分布及微环境异质性方面展现出显著优势。这些技术已在构建复杂的人体组织与器官方面取得了重要应用，例如，通过结合含有不同类型细胞的硬质与软质水凝胶，研究人员已成功再现了骨软骨界面结构。

当前面临的挑战：尽管取得了显著进展，但在实现可靠且具有临床应用价值的异质性组织与器官方面，仍存在诸多挑战。

人工智能与机器学习：为了提升异质性组织与器官的生物制造水平，需要将生物打印技术与科学及工程领域的创新成果相结合。人工智能、机器人技术及纳米技术等新兴技术有望显著提高生物打印结构的精度、重复性以及功能复杂性[247]。人工智能与机器学习工具正在革新生物打印过程中的监控与控制策略[248]。特别是，Jin等人……

利益冲突声明：作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Ibrahim T. Ozbolat与Biolife4D存在顾问或咨询关系，以及股权或股票持有关系；同时与Healshape存在顾问或咨询关系。其他作者则表示没有已知的可能构成利益冲突的财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献说明：Mohan Wu：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据整理。Miji Yeo：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、研究、正式分析、数据整理。Irem Deniz Derman：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据整理。Jiacheng Zhang：撰写——综述与编辑、可视化、研究、数据整理。Zuoxu Hou：撰写——综述与……Mohan Wu|Miji Yeo|Irem Deniz Derman|Jiacheng Zhang|Zuoxu Hou|Hongxun Sang|Ibrahim T. Ozbolat|Yang Wu