生物3D打印技术或推动医学革命

3D打印肝脏

需要器官移植？“打印”一个试试！
这是科幻吗，不，它正照进现实。在时下最热门的3D打印技术，作为最有可能最早产生科研价值的领域，生物打印在今年上半年一次次拉近科幻与现实的距离：
美国一医学中心利用3D打印技术，用“塑料”打印出全球人类第一颗人类心脏；
科学家打印出一个微型肝脏，成功存活了5天；
密歇根大学公共医疗中心通过3D技术，制造了一段人工气管，移植入一位只有6周的患病婴儿体内……
7月12日，在“浙江大学西湖学术论坛——3D打印产业技术”上，来自国内外科学家接受了本报记者的专访。他们认为，生物打印——3D打印技术的快速发展预示着一场医学新革命或将来临，但这个实现过程将会很漫长。

器官可以打印了

想象一下生命阶梯吧。
如果把人体的各部位根据复杂性排列成一个梯形，位于阶梯的底层，是牙齿等功能性器官；中层，则是简单的活性组织，如骨与软骨；在简单组织之上，将会是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑；生命阶梯的顶层将是完整的生命单位——具备完整功能的人造生命。
“3D生物打印技术，正是循着人体的生命阶梯一步步发展。”中科院宁波材料所研究员张文武说。生物打印，是一个向仿生制造的渐进过程。
让我们从位于阶梯底层——替换无生命的“身体部位”，如牙冠或假肢。目前全球3D打印牙种植体的使用数量已达50万至75万个。
与3D打印的高端钛合金飞机部件一样，3D打印的人体部位也意味着小批量、数字化的定制生产。3D打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似：先对身体出现问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室，在那里这些数据进行可行性设计，最后按照文件用软橡胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行3D打印。
“真正的生物打印，是从打印活性组织开始。即如何通过3D打印机将活细胞植入正确的位置，以制造具备一定功能的不同活性组织。”张文武认为。
它需要“生物墨水”，而最有可能成为墨水的便是人体细胞。研究者从人们的骨髓或脂肪中提取干细胞，通过生化手段，使它们分化成不同类型的细胞。通过特殊的生物凝胶，当活细胞被推压至打印头时，这种特殊的“水凝胶”会对活细胞起到保护作用。一旦“墨水”被打印出来并放到合适的地方，水凝胶将保持组织所需的结构。活细胞会分泌出一种物质进入水凝胶，从而最终形成一个支撑母体。
当打印器官初具模样时，它还不能被立刻使用，还需要进一步的培养。在特定的培养箱里，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，最终母体会发展成软骨或其他类型的活性组织，实现符合人体移植的要求。

生物打印步步在近

2011年，在美国的TED大会上，美国维克森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打印肾脏的技术畅想。
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？”
两年后，他的反问有了答案。今年4月，美国一家医学公司凭借装填细胞的3D打印机，在实验室培育出微型肝脏。它只有0.5毫米厚、4毫米见方，却具有真正肝脏的大多数机能。为制造这种肝脏，打印机叠加了约20层肝实质细胞和肝星状细胞，这是两种主要的肝细胞。至关重要的是，它还添加了来自血管内壁的细胞。这些东西形成一张精妙的管道网向肝细胞供应养分和氧气，使细胞组织得以存活5天以上。
同样在今年上半年，美国一医学中心利用3D打印技术，用“塑料”打印出全球人类第一颗人类心脏；密歇根大学公共医疗中心通过3D技术，制造了一段人工气管，移植入一位只有6周的患病婴儿体内……
“从全球来看，生物打印技术在主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚等领域已应用。血管打印已初步实现。其最终的目标，是实现活体器官打印。”浙江省先进制造技术重点实验室副主任傅建中认为。
“在打印皮肤组织上，浙大已有所突破。”浙江大学高分子科学与工程学系副教授毛峥伟告诉记者。他所在的课题组，以胶原-壳聚糖、硅橡胶皮肤等再生材料进行匹配皮肤再生过程的生物稳定实验，同时以基因技术促进血管生成和抑制斑痕，通过50多次动物实验证明，缺损皮肤愈合时间加快，且真皮弹性可恢复至八成左右。
我们无法想象100年后，3D生物打印会怎样改变我们的医疗世界。然而，就目前而言，它正在对药物开发产生积极的影响。
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。

打印身体道路漫长

我们何时能打印自己的身体呢？或许还有漫长的等待。
今天，3D打印某个身体部位仍然处于刚刚尝试阶段，打印活性组织对于假设出来的漫长的“3D打印生命阶梯”来说只是一个开始。
人体的最大问题是它的不规则形状。每一个人体，都是一个像银河般复杂的生物世界。身体是不断变化的。随着我们的环境、情绪以及食物的不断变化，它们也会喜怒无常、不断变化。无数细胞每天以我们尚不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化，我们还没有解码细胞彼此间如何传递信号。
比如目前以细胞为“生物墨水”的活性组织打印，复杂的血管系统仍然是组织工程学需要攻克的难关，相当于“四分钟跑一英里”的极限，如果没有血管系统提供养分并带走废物的“高速路”，3D器官结构中的活细胞将迅速死亡。
另一个人类尚未解决的问题是活细胞需要一个“启动”按钮。目前，尽管科学研究可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置，但是仍然没有人准确地知道如何启动种子细胞。自然知道如何让一个器官开始运作，人类仍不知道。
“3D生物打印需要多学科协同的科研。”毛峥伟认为，比如个性化数据分析与建模；机械学与工艺控制；生物学与医学；材料学。尤其是材料的作用，保持再生组织器官的外形；提供必要的力学支撑；调控细胞的行为；为细胞生长提供物理空间。“3D生物打印有戏，但这至少是十年之后的事情。”
张文武也表达了同样的观点，打印器官并非难事，但能否放心用，这个过程很难预测。“单从3D打印技术本身来看，先进制造的总体趋势是物质-智能-能量的高度融合、优化，向自然无限接近的过程。”
可以展望的是，在20年后，在生物制造领域，当科学家能够更清晰地阐释人体内脏器官工作机理，并组建起生物组织模拟系统，生物打印真的来了。