利用体外生物打印技术制造完整且具有生物活性的器官,虽然具有广泛的应用前景,但这一技术仍存在很多困难。很多生物学、生物打印技术、生物打印材料、生物打印后续成熟过程等多个方面均存在诸多技术限制。所以科学家首先把研究重点放到利用生物打印技术制造生物组织方面。
体外打印生物组织是非常尖端而又精密复杂的过程,需要对多层细胞进行分级排列,并在组织内生成血管网络系统。科学家利用体外生物打印技术已制造出多种生物组织,其中人工打印的气管、下颌和软骨组织已成功用于临床治疗。但在制造心脏、胰腺或者肝脏等具较高氧气消耗速率的组织时遇到了困难。其最主要的问题是如何将上述器官血管脉络中的动脉、静脉与毛细血管整合起来。因为在亚微米程度上打印毛细血管非常困难。科学家通过首先打印大血管,再由大血管自然地产生毛细血管的方法实现了毛细血管的打印。另外,科学家也已成功打印出连接血管和相邻毛细血管的通道,完成了血管重塑。
生物打印材料和其打印后的成长过程,对于体外打印生物组织也至关重要。生物打印的材料能够影响生物组织的生化(如生长因子、粘合因子和信号蛋白)和物理学特征(如细胞外基质的机械强度和结构稳定性等),进而影响细胞生存、分裂和分化的环境。生物打印材料必须具有很高的机械强度和结构稳定性,并且不能在生物打印之后溶解;能使干细胞分化成组织特异的细胞系并避免器官移植后产生免疫反应。同时,生物墨水必须能快速固化成型,且价格低廉、材料丰富。目前,很多天然的或人工合成的生物墨水已经被用于打印制造生物组织。生物打印的后续过程中的机械和化学刺激对组织的生长和发育也有重要影响。