3D打印生物器官或引医学革命

尽管二十余年前，3D打印技术这一概念就已被提出，可它似乎在今年突然爆发了。胡迪·利普森、梅尔芭·库曼合著的《3D打印：从想象到现实》一书中提到，“人猿相揖别， 是因为古人能够手工制造工具。今人区别于古人，是因为能够使用机器制造工具。人类进化至今，一个崭新的文明标志就是能够用机器制造机器。从狭义上说，当前被赋予无限想象力的3D打印机就是这种能够制造机器的机器。”

显而易见，3D打印是人类控制能力极限的挑战和展示。3D打印这一技术，犹如哈利·波特手里的魔杖，使人类所想变为现实。你需要一把功能强大的锤子？你需要一双精致无比的鞋子？你需要给孩子准备奇异的玩具？你需要一顿精美的晚餐？……只管打印出来就行了。

对医疗界而言，这更像是一个前所未有的造物新纪元，它预示着一场医学新革命或将来临。从仿真医疗模型、生物医疗器械，到更具个性化的移植组织或气管、更具潜力的生物高分子材料，都将聚拢于3D打印麾下。

 

更真实的教学

3D打印在医学界的最直接应用，便是各式各样的器官或组织3D模型构建。这使得原本枯燥且抽象的医学知识，变得具体而细微。更为立体的医学模型，将使医学生的学习变得轻松一些。6月4日，英国《每日邮报》刊登了一组酷似科幻大片的3D图片，令人着实大开眼界。

这些照片通过新颖且极具创意的方式，将人体内部构造通过真实丰富的细节展示出来。这些具有3D效果的图片，正是3D打印技术的前奏。来自美国康涅狄格州的XVIVO工作室(www.xvivo.net)的动画师将人体内耳、骨髓、肠道免疫系统放大许多倍，随后利用电子显微图像等技术，再现分子状态下的人体快照图。XVIVO工作室的迈克尔·阿斯特拉罕说，“美学上鼓舞人心的艺术，才能真正地打动人。这一意义深刻、令人振奋的旅程不仅有助于获取知识，也让枯燥且无新意的教科书重获新生。”

我想起在医学院学习时，必须完成局部解剖学的课程学习。说得直白一些，一个学习小组(通常5个人)需要一个学期的时间，将一具完整的人类尸体标本解剖完毕——从头到脚，从里到外，不能遗漏任何一个解剖结构，还必须熟知走行关系(器官间的相对位置关系)。可是，珍贵的解剖标本属于不可再生资源，有时只能对照图谱死记硬背。此时，如果能有一具3D打印的解剖标本，不但立马缓解资源紧张的局面，还能做到人手一具，学得又快又好。

3D打印的器官模型，已经出现在医院里。拿心脏为例吧，这台人体“发动机”是一个非常复杂的器官， 为帮助外科医生更好地了解疑难并发症患者的心脏解剖结构，美国国家儿童医学中心的儿科心脏病学家劳拉·奥利弗里近日打印出一个心脏模型。通过使用CT扫描患者心脏图像，利用一部价格约25万美元的3D打印机，她制造了一个真实复制患者疾病的心脏模型。

 

3D生物打印

3D生物打印机如何工作呢？它需要生物墨水，而最有可能成为墨水的便是人体细胞。首先，研究者将从人们的骨髓或脂肪中提取出干细胞，通过生物化学手段，使它们分化成不同类型的其他细胞。随后，这些细胞将被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含1万到3万个细胞。当3D生物打印机开动时，“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上，打印器官的雏形便逐渐显现。

在开动3D生物打印机前，还必须完成器官的结构设计，这犹如一幢大楼的设计图纸。为了打印出与目标器官形状、大小及内部结构相近的3D器官，必须事先通过三维成像或超声的方法，对人体器官进行精确的测量。

当3D生物打印机工作时，每一滴“墨粉”出现在适当的部位后，必须通过特定的生物胶水固定。就像办公用的彩色打印机一样，3D生物打印机的“墨盒”里也会丰富多彩。尽管都是人体细胞，有的将特定用来打印肝脏或肾脏细胞，有的则是制造血管——用于连接打印好的肝脏或肾脏组织。

当3D打印器官初具模样时，“墨粉”和胶水的粘合还不够牢固，它不能被立刻使用，还需进一步的修饰过程。此时，这一被3D打印机创造的器官将被放入特定的培养箱里，在各类细胞生长因子的刺激下，实现组织结构和生理功能的完整，直至符合人体移植的要求。

 

器官移植新纪元

2011年TED大会上，美国维克森林大学的研究员安东尼·阿塔拉是一位重量级人物。他展示了3D打印肾脏的技术。

尽管这一研究非常初步，但他认为，“毫无疑问，有一天——也许通过一代人的努力，你可以拥有一个由你自身细胞组织制造的肾脏，这是不是很神奇？”

普林斯顿大学的研究者，最近则制造出一只耳朵。研究员迈克尔·麦卡尔首先利用3D打印技术打印出细胞与纳米粒子。然后，将它与一小卷天线和软骨组织结合起来，制造出了一只“仿生耳”。这只耳朵功能齐全，能听到超越人耳听觉范围一百万倍以上的电波频率。

3D打印，方兴未艾。大部分研究者只是在实验室里捣鼓这一技术，以能制造出特定器官或组织为荣。极少数研究者勇敢地向前一步。5月底，美国《新英格兰医学杂志》报道了全球首例3D打印器官人体移植手术，引发不少研究者与生物投资者关注。密歇根大学公共医疗中心通过3D打印技术，制造了一段人工气管，移植入一位只有六周的美国婴儿体内。

这位名叫Kaiba Gionfriddo的男婴患有先天性的气管发育缺陷。由于气管受到压迫，逐渐出现呼吸困难，等待他的很可能是呼吸停顿，最终缺氧死亡。为了挽救他的生命，该所大学的生物医学工程师大卫·措普夫，通过计算机设计了一条适合Kaiba的气管支架模型，随后将具有热塑性的生物可吸收材料作为墨水，最后打印出一百条细小管道。然后，通过电脑激光技术，堆砌出一层层不同形状和体积的塑料薄层，从而制造出一段人工气管。

 

改变人类医疗史

“再生医疗是一个飞速发展的科技领域，肩负着改写人类医疗史的重任。”这是美国 Organovo 公司网站的一句话。

我们更无法想象一百年后的医疗世界，最可能的是，3D生物打印也将成为一种普遍的医疗模式。通过3D打印技术制造器官，不但可解除移植器官资源紧缺的难题，也将对药物开发产生深远影响。

目前，药物研究大多需要各种级别的动物实验和人体试验。在未来，通过 3D 打印的模式器官来检测药物试验效果，不但有利于缩短临床药物研发周期，还将可能避免潜在的人体试验损害。有专家估测，如果药物生产商采用3D打印器官进行药物开发或试验，平均每种药物可节省上亿美元研发费用。不过，以3D打印为代表的生物打印技术，就像20世纪末的克隆技术一样，带来的将是生物伦理挑战，这也将比眼下的干细胞所引发的争议更为复杂。

3D生物打印并非一劳永逸。由于人体组织的复杂性，器官构建绝不是生物打印材料的有序堆积而已。目前，研究者已能打印出结构相对单一的器官，比如气管、血管。三年前，Or ganovo公司已成功制造出动脉，并希望在5年内实现人体移植。对于牙齿、骨骼和心脏等更为复杂的器官，需要的研究时间将更长。