淺談【3D生物列印】器官晶片的應用與優勢-上篇

標題：淺談【3D生物列印】器官晶片的應用與優勢-上篇

前言

【3D生物列印】技術正在革新醫學領域，其中之一就是器官晶片的應用。這種技術讓科學研究人員以更真實、更精確的方式模擬人體器官，為疾病研究和藥物測試提供新途徑。本文將深入探討【3D生物列印】器官晶片的發展歷史、應用範圍、以及現今的研究結果及發展趨勢。

【3D生物列印】vs. 2D培養：模擬人體更真實

傳統的2D細胞培養方法相比，【3D生物列印】技術可以更好地模擬人體複雜的細胞結構和微環境。 這包括細胞聚集、遷移、極化以及擴散，以及再現體內細胞訊號路徑。然而，傳統的3D培養方法無法模擬人體內的生物流體流動、氧氣分佈和機械應力，這是生理研究和藥物測試的關鍵因素。

器官芯片的歷史

器官晶片技術的發展歷史可以追溯到1991年，當時首次採用3D細胞培養的方法，從此開啟了培養細胞的新觀念。隨著時間的推移，2004年開始微流體晶片等技術的應用(在矽晶片上研究肝和肺)使得能夠更準確地模擬人體生理學構造，直至2010年發展成器官晶片，首次以微流體晶片應用在研究人類器官層面上(肺)。

什麼是器官晶片（Organ-on-chip, OOC）平台

OOC系統是以一種方便且通用的方式來模仿人體各器官的功能，它能植入人類自己的細胞來製作，因此可達個性化治療的目的。

OOC系統的關鍵優點包括使用微通道、腔室、閥門和泵，能具有灌注性和可能的氣體滲透性（增加細胞活力和代謝率），透明度（可實現顯微成像），可控制的感測器（可即時篩選培養、生物標記和對刺激的反應），梯度微通道中層流產生的結果（這使得能夠研究分化和定向細胞遷移）、多孔膜（模擬組織屏障功能、跨細胞轉運、分泌和吸收），成本效益（減少昂貴樣品/試劑的數量由於微尺度通道），複雜的結構（寬微流體晶片上可製造的幾何形狀範圍），模仿動態體內條件（模擬循環細胞在過程中經歷的機械應力和應變蠕動、呼吸和心血管循環），和多或單細胞分析。

為什麼要使用3D生物打印製造器官晶片

傳統的器官晶片製造方法條件限制多，包括：

1.需要大量加工步驟(高度的微加工專業知識和複雜的細胞接種步驟)

2.無法創造連續彎曲的結構和複雜形狀

3.交貨時間長，勞動量高

4.生產成本高(需獨立設備、無塵室及熟練的員工)

5.生產效率低

6.重複性、尺寸精度和表面品質低

相較之下，【3D生物列印】技術可以提供複雜結構的製造方法，包括源自患者的細胞，同時具有更高的生產速度和靈活性。

【3D生物列印】在器官晶片市場的前景

【3D生物列印】技術在醫療保健產業市場的前景廣闊，預計將以14.5%的年均複合成長率成長。並在2021年至2028年，預計營收將達44億美元。

細胞相容性的生物材料使用使得直接列印細胞成為可能，甚至無需額外的生物材料。這種技術可應用於各種器官，如心血管系統、腦/血腦屏障、呼吸系統、肝臟、腸道、腎臟、骨骼和軟骨系統，從而推動了晶片上的藥物研究和生理研究的進展。

結論

【3D生物列印】技術正在取得顯著進展，特別是器官晶片領域。這項技術的應用前景廣闊，將為疾病研究和藥物測試帶來新的機會，為醫學研究和臨床實踐開闢新的道路。

參考文獻

1. 3D bioprinted organ-on-chips. 2022.

2. Recent Advances in Organ-on-Chips Integrated with Bioprinting Technologies for Drug Screening. 2023.