3D生物打印技术：让起死回生不再遥远？

2016年02月29日  来源：科技日报　　作者：余辉

　　维克森林大学用来制造器官、组织和骨骼的组织和器官集成打印系统(ITOP)

　　3D生物打印机示意图

　　3D生物打印技术过程

　　苏格兰科学家利用人体细胞3D打印肝脏组织

　　北卡罗莱纳Wake Forest大学3D打印肾脏

3D生物血管打印的核心技术：生物砖（Biosynsphere）

　　我们会在每年寒暑假复播的《西游记》中会看到这样的景象：观音菩萨拿着蘸了玉净瓶甘露的杨柳枝，将露水洒向一个气息全无的人之后，这个人马上就会活过来。

　　死亡，是一件任何人最终都将要面对而又无法改变的一件事。那些看起来能够让人起死回生的“法力”似乎仅停留在故事里。但是，科技发展到今天，我们虽不能做到让死去的生命再次复活，但可以让垂危的生命得以延续。至少，3D生物打印技术就已经开始改变人类社会了。

　　打印一只耳朵？

　　用一台打印机制造一只耳朵，这种只在电影中见到的场景如今已经发生在我们周围。2016年2月15日，来自美国北卡罗莱纳州维克森林大学再生医学研究所的科学家们称，他们已经创建了一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机，而这些通过3D打印机打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。这一成果已于当日发表在科学杂志《Nature Biotechnology》上。

　　论文称，与大多数3D打印机一样，科学家们此次研发的3D打印机的喷嘴依靠计算机控制，以一种非常精确的模式逐层挤出沉积材料。这些沉积材料最终会硬化，并生成任何想要的对象，不过，与其他3D打印机使用熔融的塑料或者金属材料不同的是，这款3D打印机挤出的主要是含有人体细胞的水凝胶。

　　实际上，该3D打印机拥有多个喷嘴，一些挤出水凝胶，还有一些则挤出可生物降解材料，用来给打印出来的组织提供结构和强度支持。当辅助材料溶解和组织在机器中完成孵化时，它就有可能植入人体。研究人员先对人耳、下颚骨、肌肉进行3D扫描，从而创建数字模板，然后打印出一块耳形的软骨、一块肌肉和一块下颌骨，并把它们植入小鼠体内。

　　3D生物打印的技术原理

　　所谓的3D生物打印，指的是一种以计算机三维模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，定位装配生物材料或活细胞，制造人工植入支架、组织器官和医疗辅助等生物医学产品的3D打印技术。3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题。

　　世界上第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来，2010年被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

　　3D生物打印技术目前还处于开发的初级阶段，通过电脑建模程序来设计需要打印的器官剖面图，从而精准指导随后的打印过程。研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取的干细胞，或不同的活性因子，通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印一层，就会提升一个层高的刻度，继而开始下一层图案的打印，从而逐渐实现人造组织的成型，跟普通3D打印在工业应用中的模型制造过程类似。

　　3D生物打印机可以被置于生物安全柜中，可进行无菌操作，打印后的组织可以直接被植入患者体内，其中的细胞在生长因子的调控下，重新组合、分化，最终形成新的组织和器官。以皮肤打印过程为例，一般需要经过皮肤样品三维建模、形成脂肪原型、3D打印皮肤样品三个步骤才能完成。

　　从理论上讲，3D生物打印机可以使用CT等扫描技术，得到患者身体的各个部位精确图像数据，并在随后的短时间内打印出相应的组织，由于这些结构来源于病人的身体扫描，因此，打印后的植入物完全可以模拟原有的器官，顺利地进行替换，从而减轻了植入过程对患者的身体带来的负担。

　　3D生物打印给我们带来了哪些惊喜？

　　现有的3D生物打印机的研究还处于早期阶段，但是发展前景为大家所期待。据澳大利亚Invetech和美国Organovo两家公司宣称，3D生物打印技术将在5年内实现对功能性大血管的打印，十年内实现心脏或者肝脏等器官的打印。由此可见，3D生物打印技术的成果可能会给医疗界带来一场革命。那么，3D生物打印技术给我们带来了哪些惊喜呢？

　　1.3D打印肾脏原型

　　美国北卡罗莱纳Wake Forest大学Anthony Atala等人使用复合细胞的水凝胶材料，逐层打印，构建出类似于肾脏的结构。从而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人体器官，以达到为患者提供量身定做的器官替代品的目的。

　　2.3D打印人耳

　　美国康奈尔大学工程师与医生们结合3D打印技术以及活性细胞制成的可注射胶造出了与人耳几乎完全一样的人工假耳，在外观与功能上与真耳相差无异，并且在3个月之内，这些耳朵即可长出软骨，替换掉其中用于定型的胶原。

　　3.3D打印肝脏

　　苏格兰科学家率先研制出利用人体细胞打印人造肝脏组织的技术，研究人员研制出了基于瓣膜的细胞打印流程，可以生产特定的细胞种类，容量仅为2nL或每滴小于5个细胞。这一研究结果对医药行业意义非常重大，它能把人体对药物的反应模拟得更加逼真，有助于选出高效的药物。

　　不过这一技术面临着很大挑战就是，怎样保证研发出更容易操控和更精细的打印喷嘴，以有效保护细胞和组织的生存能力。随后，研究人员开发了基于瓣膜的双喷嘴打印机，用于打印高质量的细胞，包括打印首个用于组织再生的胚胎干细胞。

　　4.3D打印仿生组织

　　英国牛津大学研究出最新3D打印技术，将水和液体分子连接在一起，形成了具有人体细胞功能的“液滴（仿生组织）”。每个液滴是直径约为50微米的透明空腔，这些打印出的“功能液滴”可用于人体组织，或者作为新方法为人体投递新药，相关研究发表在《科学》（Science）杂志上。

　　我国的突破

　　3D生物打印离我们并不遥远，不仅在国外大放异彩，在国内也是摸得着看得见的。 据央视报道，我国863计划之一的3D打印血管已经获得重大突破，世界首创的3D生物血管打印机由四川蓝光英诺生物科技有限公司成功研制。据介绍，该款血管打印机性能先进，仅仅2分钟便打出10厘米长的血管。3D生物血管打印的核心技术是生物砖（Biosynsphere），生物砖并不是砖块，也不是方方正正的形状，而是一种新型的、精准的、具有仿生功能的干细胞培养体系。

　　有长路要走

　　从全球来看，生物3D打印的前景比较广阔，目前生物3D打印技术已经在主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚等领域得到应用。但是，人体是一个复杂的系统，无数细胞每天在以我们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之间是如何传递的，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，现有的3D生物打印只是刚刚开了个头，未来3D生物打印技术的道路还有很长的一段路要走。