3D生物打印可起死回生？

我們會在每年寒暑假復(fù)播的《西游記》中會看到這樣的景象：觀音菩薩拿著蘸了玉凈瓶甘露的楊柳枝，將露水灑向一個氣息全無的人之后，這個人馬上就會活過來。

死亡，是一件任何人最終都將要面對而又無法改變的一件事。那些看起來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)開始改變?nèi)祟惿鐣恕?/span>

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？

用一臺打印機制造一只耳朵，這種只在電影中見到的場景如今已經(jīng)發(fā)生在我們周圍。2016年2月15日，來自美國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)建了一臺可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機，而這些通過3D打印機打印出來的器官、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打印機一樣，科學(xué)家們此次研發(fā)的3D打印機的噴嘴依靠計算機控制，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硬化，并生成任何想要的對象，不過，與其他3D打印機使用熔融的塑料或者金屬材料不同的是，這款3D打印機擠出的主要是含有人體細胞的水凝膠。

實際上，該3D打印機擁有多個噴嘴，一些擠出水凝膠，還有一些則擠出可生物降解材料，用來給打印出來的組織提供結(jié)構(gòu)和強度支持。當(dāng)輔助材料溶解和組織在機器中完成孵化時，它就有可能植入人體。研究人員先對人耳、下顎骨、肌肉進行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，指的是一種以計算機三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(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源有限的問題。

世界上第一臺3D生物打印機的原型機已在2009年底由Organovo公司制造出來，2010年被《時代周刊》評為2010年50項最佳發(fā)明之一。

3D生物打印機示意圖

3D生物打印技術(shù)目前還處于開發(fā)的初級階段，通過電腦建模程序來設(shè)計需要打印的器官剖面圖，從而精準(zhǔn)指導(dǎo)隨后的打印過程。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胞，或不同的活性因子，通過打印頭將液體按照一定圖案打印在接收平臺上。打印頭每打印一層，就會提升一個層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實現(xiàn)人造組織的成型，跟普通3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的模型制造過程類似。

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

3D生物打印技術(shù)過程

從理論上講，3D生物打印機可以使用CT等掃描技術(shù)，得到患者身體的各個部位精確圖像數(shù)據(jù)，并在隨后的短時間內(nèi)打印出相應(yīng)的組織，由于這些結(jié)構(gòu)來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，順利地進行替換，從而減輕了植入過程對患者的身體帶來的負擔(dān)。

3D生物打印給我們帶來了哪些驚喜？

現(xiàn)有的3D生物打印機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Organovo兩家公司宣稱，3D生物打印技術(shù)將在5年內(nèi)實現(xiàn)對功能性大血管的打印，十年內(nèi)實現(xiàn)心臟或者肝臟等器官的打印。由此可見，3D生物打印技術(shù)的成果可能會給醫(yī)療界帶來一場革命。那么，3D生物打印技術(shù)給我們帶來了哪些驚喜呢？ 

1.3D打印腎臟原型

美國北卡羅萊納Wake Forest大學(xué)Anthony Atala等人使用復(fù)合細胞的水凝膠材料，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異，并且在3個月之內(nèi)，這些耳朵即可長出軟骨，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胞打印流程，可以生產(chǎn)特定的細胞種類，容量僅為2nL或每滴小于5個細胞。這一研究結(jié)果對醫(yī)藥行業(yè)意義非常重大，它能把人體對藥物的反應(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的打印噴嘴，以有效保護細胞和組織的生存能力。隨后，研究人員開發(fā)了基于瓣膜的雙噴嘴打印機，用于打印高質(zhì)量的細胞，包括打印首個用于組織再生的胚胎干細胞。

4.3D打印仿生組織

英國牛津大學(xué)研究出最新3D打印技術(shù)，將水和液體分子連接在一起，形成了具有人體細胞功能的“液滴（仿生組織）”。每個液滴是直徑約為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）

我國的突破 

3D生物打印離我們并不遙遠，不僅在國外大放異彩，在國內(nèi)也是摸得著看得見的。 據(jù)央視報道，我國863計劃之一的3D打印血管已經(jīng)獲得重大突破，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機由四川藍光英諾生物科技有限公司成功研制。據(jù)介紹，該款血管打印機性能先進，僅僅2分鐘便打出10厘米長的血管。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胞培養(yǎng)體系。

有長路要走

從全球來看，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，人體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，無數(shù)細胞每天在以我們不能充分理解的神秘方式生長、愈合和變化，我們還沒有解碼細胞之間是如何傳遞的，盡管科學(xué)研究可以將細胞以完美的形狀放在支架上的正確位置，但是仍然沒有人準(zhǔn)確地知道如何“啟動”種子細胞，現(xiàn)有的3D生物打印只是剛剛開了個頭，未來3D生物打印技術(shù)的道路還有很長的一段路要走。