《Materials Today Bio》：生物3D打印肝脏模型系统综述

在生物3D打印技术体系中，挤压式打印是应用最为广泛的技术类型，约 61% 的肝脏模型通过该技术制备。其原理是利用微米级喷嘴将含有细胞的生物墨水（如明胶 - 海藻酸钠复合水凝胶）进行逐层沉积，从而构建肝小叶的三维结构。该技术能够兼容高达\(1.5×10^8 cells/mL\)的细胞密度，但打印过程产生的剪切力可能导致原代肝细胞活性损失，平均活性降低约 15%。

喷墨打印采用压电脉冲驱动技术，实现皮升级液滴的精确喷射，适用于构建肝窦内皮细胞的单层结构立体光刻技术利用紫外光对光敏水凝胶进行逐层固化，能够制备直径小于 200 μm 的血管网络。

常见3D生物打印方法示意图（A）喷墨生物打印：通过打印头将生物墨水液滴按可控图案喷射到基底上，通过生物墨水的逐层沉积形成三维结构；（B）微挤压生物打印：利用细喷嘴挤压粘性生物墨水，通过材料的逐层沉积构建三维结构；（C）激光辅助生物打印：通过激光能量在含细胞的生物墨水中产生微泡，将墨水高精度地推进到基底上； （D）立体光刻生物打印：使用激光以可控方式逐层选择性固化液态光聚合物（通常为水凝胶基生物墨水），构建精细的三维组织结构“ (Ahmed et al., 2024)

生物墨水是细胞存活的关键，不同成分可构建不同的细胞生存环境：

天然高分子材料（76%）：明胶经改性成为甲基丙烯酰化明胶（GelMA），弹性模量 1-10 kPa，与肝组织的力学性能相匹配；猪肝脱细胞基质（dECM）保留天然细胞外基质成分，可使肝细胞白蛋白分泌量提升 40%。

合成高分子材料（12.5%）：PEG-RGD 共轭墨水可将内皮细胞黏附效率提高 3 倍，有助于加固肝窦屏障；光响应 Pluronic 水凝胶在 5 分钟内固化，且细胞存活率超 92%。

生物墨水相关信息 ：生物墨水分为天然类（棕色）、合成类（绿色）及其单一成分或混合物。我们还将研究分为不明确类（深绿色）或未报告类（NR）（深棕色）——此处审阅者无法根据作者提供的信息对墨水进行分类（Poly=多糖，dECM=脱细胞外基质，PEG=聚乙二醇）。关于此旭日图的详细互动式子分类，可在OSF上查看其在线版本(Ahmed et al., 2024)

肝脏的生理功能依赖细胞间的相互作用，3D 打印技术推动肝细胞从单一培养向多细胞协同培养发展：

细胞类型特性：肝癌细胞系 HepG2（47%）易于获取，但代谢功能有限，其 CYP450 酶活性仅为原代细胞的 50%；原代肝细胞在打印后 24h 活性流失约 20%，需 dECM 材料辅助培养。

多细胞协同：51% 的模型引入肝星状细胞、内皮细胞等，形成 “代谢 - 免疫 - 修复” 功能链。例如，肝细胞与肝窦内皮细胞共培养时，在 LPS 刺激下 TNF-α 释放量达 250 pg/mL。

肝小叶结构示意图：每个肝小叶呈六边形，其边界由位于角落的六个门管区（PT）界定，中央有一条中央静脉（CV）。门管区包含肝动脉分支（HA）、肝门静脉分支（PV）和胆管（BD）(Ahmed et al., 2024)

在药物肝毒性评估领域，3D 打印肝脏模型发挥重要作用：

毒性检测：41% 的模型用于药物毒性测试，如对乙酰氨基酚（APAP）浓度 > 10 mM 时，可检测到肝细胞凋亡率上升（图 5），相比动物实验具有更高的检测灵敏度；

代谢评估：75% 的研究检测白蛋白分泌，30% 分析 CYP450 酶活性，但仅 13% 用利福平验证酶诱导功能（最大诱导 5-8 倍）。

各研究中报告的生物打印肝脏模型应用领域 (Ahmed et al., 2024)

3D 生物打印技术为肝脏研究带来了新的突破，改变了传统依赖二维研究和动物实验的模式，能够更真实地模拟人体肝脏的结构和功能。随着打印精度不断提升至微米级、生物墨水实现全合成，以及模型在模拟血流和免疫应答方面的进步，实验室培养的肝脏模型将逐步取代动物实验，成为研究人体肝脏的重要工具。赛箔生物期待与科研工作者共同推动技术发展，让 3D 生物打印在肝脏研究领域发挥更大价值

参考文献[1] Ali, A.S.M., et al. (2024). 3D bioprinting of liver models: A systematic scoping review. Materials Today Bio, 26, 100991.