3D生物打印可起死回生？

我們會(huì)在每年寒暑假?gòu)?fù)播的《西游記》中會(huì)看到這樣的景象：觀音菩薩拿著蘸了玉凈瓶甘露的楊柳枝，將露水灑向一個(gè)氣息全無(wú)的人之后，這個(gè)人馬上就會(huì)活過(guò)來(lái)。

死亡，是一件任何人最終都將要面對(duì)而又無(wú)法改變的一件事。那些看起來(lái)能夠讓人起死回生的“法力”似乎僅停留在故事里。但是，科技發(fā)展到今天，我們雖不能做到讓死去的生命再次復(fù)活，但可以讓垂危的生命得以延續(xù)。至少，3D生物打印技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始改變?nèi)祟惿鐣?huì)了。

維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所3D打印的顎骨和耳軟骨

打印一只耳朵？

用一臺(tái)打印機(jī)制造一只耳朵，這種只在電影中見(jiàn)到的場(chǎng)景如今已經(jīng)發(fā)生在我們周圍。2016年2月15日，來(lái)自美國(guó)北卡羅萊納州維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們稱，他們已經(jīng)創(chuàng)建了一臺(tái)可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機(jī)，而這些通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)的器官、組織和骨骼能夠直接植入人體。這一成果已于當(dāng)日發(fā)表在科學(xué)雜志《Nature Biotechnology》上。 

論文稱，與大多數(shù)3D打印機(jī)一樣，科學(xué)家們此次研發(fā)的3D打印機(jī)的噴嘴依靠計(jì)算機(jī)控制，以一種非常精確的模式逐層擠出沉積材料。這些沉積材料最終會(huì)硬化，并生成任何想要的對(duì)象，不過(guò)，與其他3D打印機(jī)使用熔融的塑料或者金屬材料不同的是，這款3D打印機(jī)擠出的主要是含有人體細(xì)胞的水凝膠。

實(shí)際上，該3D打印機(jī)擁有多個(gè)噴嘴，一些擠出水凝膠，還有一些則擠出可生物降解材料，用來(lái)給打印出來(lái)的組織提供結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度支持。當(dāng)輔助材料溶解和組織在機(jī)器中完成孵化時(shí)，它就有可能植入人體。研究人員先對(duì)人耳、下顎骨、肌肉進(jìn)行3D掃描，從而創(chuàng)建數(shù)字模板，然后打印出一塊耳形的軟骨、一塊肌肉和一塊下頜骨，并把它們植入小鼠體內(nèi)。

維克森林大學(xué)用來(lái)制造器官、組織和骨骼的組織和器官集成打印系統(tǒng)(ITOP)

3D生物打印的技術(shù)原理

所謂的3D生物打印，指的是一種以計(jì)算機(jī)三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型的方法，定位裝配生物材料或活細(xì)胞，制造人工植入支架、組織器官和醫(yī)療輔助等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的3D打印技術(shù)。3D生物打印的最終目的是為了解決移植器官來(lái)源有限的問(wèn)題。

世界上第一臺(tái)3D生物打印機(jī)的原型機(jī)已在2009年底由Organovo公司制造出來(lái)，2010年被《時(shí)代周刊》評(píng)為2010年50項(xiàng)最佳發(fā)明之一。

3D生物打印機(jī)示意圖

3D生物打印技術(shù)目前還處于開(kāi)發(fā)的初級(jí)階段，通過(guò)電腦建模程序來(lái)設(shè)計(jì)需要打印的器官剖面圖，從而精準(zhǔn)指導(dǎo)隨后的打印過(guò)程。研究者在供打印的液態(tài)材料中復(fù)合從骨髓、脂肪等組織中提取的干細(xì)胞，或不同的活性因子，通過(guò)打印頭將液體按照一定圖案打印在接收平臺(tái)上。打印頭每打印一層，就會(huì)提升一個(gè)層高的刻度，繼而開(kāi)始下一層圖案的打印，從而逐漸實(shí)現(xiàn)人造組織的成型，跟普通3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的模型制造過(guò)程類似。

3D生物打印機(jī)可以被置于生物安全柜中，可進(jìn)行無(wú)菌操作，打印后的組織可以直接被植入患者體內(nèi)，其中的細(xì)胞在生長(zhǎng)因子的調(diào)控下，重新組合、分化，最終形成新的組織和器官。以皮膚打印過(guò)程為例，一般需要經(jīng)過(guò)皮膚樣品三維建模、形成脂肪原型、3D打印皮膚樣品三個(gè)步驟才能完成。

3D生物打印技術(shù)過(guò)程

從理論上講，3D生物打印機(jī)可以使用CT等掃描技術(shù)，得到患者身體的各個(gè)部位精確圖像數(shù)據(jù)，并在隨后的短時(shí)間內(nèi)打印出相應(yīng)的組織，由于這些結(jié)構(gòu)來(lái)源于病人的身體掃描，因此，打印后的植入物完全可以模擬原有的器官，順利地進(jìn)行替換，從而減輕了植入過(guò)程對(duì)患者的身體帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。

3D生物打印給我們帶來(lái)了哪些驚喜？

現(xiàn)有的3D生物打印機(jī)的研究還處于早期階段，但是發(fā)展前景為大家所期待。據(jù)澳大利亞Invetech和美國(guó)Organovo兩家公司宣稱，3D生物打印技術(shù)將在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)功能性大血管的打印，十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)心臟或者肝臟等器官的打印。由此可見(jiàn)，3D生物打印技術(shù)的成果可能會(huì)給醫(yī)療界帶來(lái)一場(chǎng)革命。那么，3D生物打印技術(shù)給我們帶來(lái)了哪些驚喜呢？ 

1.3D打印腎臟原型

美國(guó)北卡羅萊納Wake Forest大學(xué)Anthony Atala等人使用復(fù)合細(xì)胞的水凝膠材料，逐層打印，構(gòu)建出類似于腎臟的結(jié)構(gòu)。從而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人體器官，以達(dá)到為患者提供量身定做的器官替代品的目的。

北卡羅萊納Wake Forest大學(xué)3D打印腎臟,耳朵等器官

美國(guó)康奈爾大學(xué)工程師與醫(yī)生們結(jié)合3D打印技術(shù)以及活性細(xì)胞制成的可注射膠造出了與人耳幾乎完全一樣的人工假耳，在外觀與功能上與真耳相差無(wú)異，并且在3個(gè)月之內(nèi)，這些耳朵即可長(zhǎng)出軟骨，替換掉其中用于定型的膠原。

蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞3D打印肝臟組織

3.3D打印肝臟

蘇格蘭科學(xué)家率先研制出利用人體細(xì)胞打印人造肝臟組織的技術(shù)，研究人員研制出了基于瓣膜的細(xì)胞打印流程，可以生產(chǎn)特定的細(xì)胞種類，容量?jī)H為2nL或每滴小于5個(gè)細(xì)胞。這一研究結(jié)果對(duì)醫(yī)藥行業(yè)意義非常重大，它能把人體對(duì)藥物的反應(yīng)模擬得更加逼真，有助于選出高效的藥物。

不過(guò)這一技術(shù)面臨著很大挑戰(zhàn)就是，怎樣保證研發(fā)出更容易操控和更精細(xì)的打印噴嘴，以有效保護(hù)細(xì)胞和組織的生存能力。隨后，研究人員開(kāi)發(fā)了基于瓣膜的雙噴嘴打印機(jī)，用于打印高質(zhì)量的細(xì)胞，包括打印首個(gè)用于組織再生的胚胎干細(xì)胞。

4.3D打印仿生組織

英國(guó)牛津大學(xué)研究出最新3D打印技術(shù)，將水和液體分子連接在一起，形成了具有人體細(xì)胞功能的“液滴（仿生組織）”。每個(gè)液滴是直徑約為50微米的透明空腔，，這些打印出的“功能液滴”可用于人體組織，或者作為新方法為人體投遞新藥，相關(guān)研究發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

3D生物血管打印的核心技術(shù)：生物磚（Biosynsphere）

我國(guó)的突破 

3D生物打印離我們并不遙遠(yuǎn)，不僅在國(guó)外大放異彩，在國(guó)內(nèi)也是摸得著看得見(jiàn)的。 據(jù)央視報(bào)道，我國(guó)863計(jì)劃之一的3D打印血管已經(jīng)獲得重大突破，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)由四川藍(lán)光英諾生物科技有限公司成功研制。據(jù)介紹，該款血管打印機(jī)性能先進(jìn)，僅僅2分鐘便打出10厘米長(zhǎng)的血管。3D生物血管打印的核心技術(shù)是生物磚（Biosynsphere），生物磚并不是磚塊，也不是方方正正的形狀，而是一種新型的、精準(zhǔn)的、具有仿生功能的干細(xì)胞培養(yǎng)體系。

有長(zhǎng)路要走

從全球來(lái)看，生物3D打印的前景比較廣闊，目前生物3D打印技術(shù)已經(jīng)在主動(dòng)脈瓣、種植手術(shù)導(dǎo)板、人工下顎等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，人體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，無(wú)數(shù)細(xì)胞每天在以我們不能充分理解的神秘方式生長(zhǎng)、愈合和變化，我們還沒(méi)有解碼細(xì)胞之間是如何傳遞的，盡管科學(xué)研究可以將細(xì)胞以完美的形狀放在支架上的正確位置，但是仍然沒(méi)有人準(zhǔn)確地知道如何“啟動(dòng)”種子細(xì)胞，現(xiàn)有的3D生物打印只是剛剛開(kāi)了個(gè)頭，未來(lái)3D生物打印技術(shù)的道路還有很長(zhǎng)的一段路要走。