3D打印技術與新的醫學信息獲取技術相結合，以生物醫用材料及細胞為新型離散材料，通過技術設計，快速有效的生產出醫療相關產品，這一過程稱為生物3D打印。生物3D打印具有巨大的臨床需求和科學意義，采用該技術快速精準的制造出滿足不同個性化需求的組織、器官等，并對其微觀結構精準控制，能夠大大緩解組織器官緊缺的問題。生物3D打印技術的發展一方面依靠工程技術的不斷改進和升級，另一方面依靠生物醫用材料性能的不斷提升和新材料的開發應用。兩者相互作、互相影響、交替發展，無論是生物3D打印技術還是相關生物醫用材料的飛速發展，都意味著生物3D打印已經迎來了更加廣闊的未來和發展空間。
　　一、生物3D打印技術
　　生物3D打印技術是多學科融合交叉誕生的一門新興學科，通過突破傳統的制造技術，結合生命科學相關內容，生產制造出可用于人工植入、修復重建、完全替代人體組織或器官。該技術涉及仿生制造，功能結構生物體制造，再生醫學模型制造，體外生物生理、病理和藥理模型制造及以細胞和活性分子為基礎的細胞/組織芯片和先進醫療診斷設備的制造等諸多領域，是目前3D打印技術的最高水平體現之一。
　　生物3D打印技術發展迅速，已經在短短的20多年發展歷中經歷了4個階段[1]。從最初的打印體外醫療器械與醫學模型開始，對使用材料沒有生物相容性的要求，到打印生物相容性較好、不能降解的永久性植入材料，經歷了材料性能根據需求提升的階段。接下來，生物3D打印使用的材料性能更優，既具有良好的生物相容性，又可被降解吸收，打印產品植入后能與組織發生相互作用，促進其再生。這3個階段的發展，依賴于材料本身性能的優化和提升，同時對3D技術革新提出了更高的要求。目前，前3個階段的技術發展成熟，已經應用到實際研究與臨床治療，如藥物控釋支架制備、活性大段人工骨、活性人工軟骨制備等，同時也利用計算機輔助設備，直接進行復雜骨科手術、顱骨修復、小耳畸形修復和口腔正畸等。北京大學第三醫院已成功完成世界首例3D打印脊椎植入手術,與傳統骨科植入物相比，3D打印脊椎骨更貼合正常骨，不僅減輕了對骨頭的壓力，而且它也允許骨頭長入植入物。現今，被稱為“細胞打印”或“器官打印”的全新生物3D打印技術正在崛起。人體的組成細胞多樣復雜包含血管、神經等，組成細胞超過250種以上。如此復雜多變的體系目前僅有生物3D打印技術可能是實現方法。
　　二、生物3D打印產業現狀
　　從創新性研究成果到具備一定規模生產轉化過程是復雜的。生物3D打印產品屬于醫療產品，應用端為人體，涉及倫理道德和生命安全性，既要保證臨床上的安全性和有效性，還必須遵守國家相關法律法規。上市注冊證的獲得是評判生物3D打印產品能否上市，具有產業發展前景的重要敲門磚。
　　目前世界公認的注冊證是美國食品及藥物管理局(FDA)、歐盟安全認證(CE)和中國國家食品藥品監督管理總局(CFDA)。在2015 -2016年期間，全球幾大著名骨科醫療器械制造商美國捷邁公司(Zimmer)、史賽克(Stryker )公司施樂輝公司(smith& nephew)、美國強生(Johnson & Johnson)陸續推出了3D打印產品，這些產品經過多年的研發與驗證，獲得了FDA的批準，并正式進入到醫療市場。截至2016年10月，FDA已批準了85個3D打印植入物：包括頜面植入物、髖關節、膝關節植入物和脊柱植入物等。CFDA批準了2個3D打印植入物：髖關節系統和人工椎體。2016年全球3D打印醫療市場規模達12.29億美元，預計2024年3D打印醫療市場規模達96.39億元。
　　一個用于第3階段的3D打印產品從研發到上市，大概需要5~6年的時間。而含活體細胞的3D打印產品，由于作用因素復雜不可控，無法估計上市時間。現已上市的具有骨小梁結構的髖臼杯、全鈦椎體融合器、3D打印顱骨、3D打印面骨等均為不可降解第2階段產品。3D打印腦膜組織修復支架——睿膜，是全球首個3D打印的軟組織產品。其微觀結構最接近自體腦膜，臨床效果好于以往的人工腦膜產品。
　　綜上所述，生物3D打印產業目前處于剛剛起步階段，大多數的產品和設備還處于研發階段，并未實現大規模集成式的生產。同時，現已實現規模量產的產品也僅限于幾個品種，如骨科植入物、美容植入物、人工關節等。
　　三、生物醫用材料產業現狀
　　生物醫用材料，又稱為“生物材料”，是診斷、治療、修復或替換人體組織或器官、或增進其功能的一類高技術新材料。它不能被視為藥物，雖然可進入人體，但是作用機制不同，不必通過藥物吸收代謝等手段實現，但可與之結合，促進其功能的實現。生物材料產業依靠生物材料技術發展，研發生產出生物材料相關產品，并將從事生物材料及其相關產品和技術裝備的企業集合。
　　生物醫用材料產業與多學科領域發展密切相關，一方面，產品技術更新周期短，市場競爭激烈，須投入大量研發資金，而后續擴大生產投資更是呈遞增的趨勢;另一方面，生物材料產業所涉及的技術多為前沿技術，從研究成果到工業化產品生產中間鏈條復雜，過程繁復，成功概率受影響因素過多，風險系數高。同時，生物醫學材料產品的使用涉及生命安全與倫理道德，國家管控嚴格，這導致生物材料產品從研究開發到試產、大量生產、直到產生效益的周期漫長。但是，生物醫學材料是又是新材料領域中附加值最高的材料，其利潤遠高于傳統工業材料。如果能夠成功產業化，為企業帶來的社會效益和經濟效益巨大，使得其投資收益率大大超過傳統產業。2015年全球生物醫用材料直接和間接的市場總額已達60億美元，年貿易額復合增長率達17%，全球醫用材料總銷售額達到2 500億美元左右，已成為世界經濟的支柱性產業。
　　四、生物3D打印與生物醫用材料產業
　　生物3D打印對生物醫用材料的要求極其苛刻，不僅要考慮材料本身的理化性質，還要考慮安全性、生物相容性、可降解性和生物活性等。雖然，一些生物醫用材料包括：醫用金屬與非金屬、醫用陶瓷、高分子聚合物、生物墨水等被3D打印技術使用，取得了一些研發和應用成果，但是能夠完整實現需求的種類極少，可應用產業的更是鳳毛麟角。通過上述對比生物3D打印與生物醫用材料產業發現，制約生物3D打印產業發展的主要因素為：
　　①生物醫用材料種類繁多，需求特點各異，生物3D打印均要求相關材料快速精確成型，并在滿足各種理化性質要求的同時滿足生物學和醫學使用要求，還要經歷漫長而嚴格的使用審批程序。
　　②開發出具有生物活性和較好加工性能的生物材料是制約3D打印產業發展的瓶頸因素之一。開發新型的適用于生物3D打印的生物醫用材料是一個挑戰性的難題，目前僅能實現無活性的骨及關節等植入物小批量生產。突破這一瓶頸需要投入巨大體量資金用于新型生物醫用材料的技術創新和產品研發。
　　③生物3D打印本身的個性化特點，不同個體對于生物3D打印產品的需求是千變萬化的，尤其是使用到人體組織，需要考慮個體差異性、時效性和需求個性化，無法大規模化批量生產。
　　④3D打印技術本身的技術創新和工程學優化也是制約生物3D打印技術不能規模化生產的主要因素。
　　但是，通過比較也很清晰的呈現出生物醫用材料產業的迅猛發展為生物3D打印的產業發展提供了契機和可能。全球范圍內已經使用3D打印技術批量生產的骨科植入物表現出來的市場需求和市場潛力已經預示著生物3D打印產業的未來。隨著生物醫用材料產業繼續深入發展和3D打印技術在計算機程序以及機械方面的快速發展，生物3D打印產業也將出現更多很多的發展機遇。
　　五、展望
　　隨著生物醫用材料產業與3D打印技術的不斷發展完善，生物3D打印將迎來前所未有的發展契機，未來產業將有無限可能。另一方面，也要清晰地認識到，目前生物3D打印產業化還有一段漫長而艱難的路要走，大部分研究處于研究階段，進一步應用臨床和規模化生產仍面臨諸多挑戰和難題。
　　適用于3D打印技術的生物材料已經成為研究熱點，開發出更多生物相容性好，包含活性組分，機械強度能夠滿足體內植入需求的材料成為新的研究高地。例如，以水凝膠作為材料基質的生物墨水，為避免打印過程中3D打印機的噴頭堵塞，在噴墨成型過程中需要材料保持較低的粘度，但是這又導致了材料機械性能低不滿足植入需求。開發出適用于生物3D打印的新型符合個性需求的適當機械性能、穩定的擴散系數、較好的生物相容性的生物醫用材料是未來產業發展面臨的巨大的挑戰和契機。
　　生物3D打印技術的成型分辨率將成為未來技術發展的又一重要方向。生物3D打印的對象均為生物組織或者器官，具有復雜的內部結構，并含有多種類型的細胞，這就要求設備技術的分辨率達到微米級別，這也將成為生物3D打印技術大面積應用突破的一大關鍵。從目前的噴墨成型技術的成型分辨率最高能達到50μm，而光固化成型技術的成型分辨率最高，能高達20μm。但此分辨率距離打印復雜的人體組織和器官還有一段漫長的路要走。
　　生物3D打印的發展還與醫學發展密不可分，如組織血管工程制造，血液循環是人體營養物質運輸和代謝廢物排出的重要循環系統，而血管作為人體循環系統運輸物質的主要器官之一，能夠成功地利用生物3D打印技術，完美的制造血人工血管將為制造其他組織和器官奠定基礎。
　　生物3D打印技術跨越了多個學科，涉及多個領域，需要多領域聯動配合，需要工程和醫學領域的科研和技術開發人員跨領域合作。除此之外，還要保證持續穩定的高額研究經費和技術研發經費支出。雖然前路艱險，但是，隨著生物醫用材料產業的快速發展和日趨成熟，3D打印技術本身的工藝研發及相關醫學領域的蓬勃發展，生物3D打印產業必將迎來美好的明天。