3D打印技術(shù)許下的諾言

▲生物3D打印龍頭企業(yè)美國Organovo的生物3D打印機

● 那些滿腹細(xì)胞油墨的機器們正以逐層打印的方式構(gòu)建著組織和器官

30多歲的人如果患有膝關(guān)節(jié)疾病，大概不會考慮通過外科手術(shù)來修復(fù)。但是再經(jīng)過幾十年的生活不便以及關(guān)節(jié)炎的折磨，他們就不得不接受外科治療了。在那里，他們也許會發(fā)現(xiàn)一臺3D打印機正在準(zhǔn)備幫助他們制造出置于體內(nèi)的新骨骼和軟骨。這正是賓夕法尼亞州立大學(xué)帕克校區(qū)的生物工程師易卜拉欣•奧日博爾特（Ibrahim Ozbnlat）想要看到的，目前他正在開發(fā)一種3D生物打印技術(shù)來修復(fù)軟骨等組織。他設(shè)想一臺機器可以將層層堆疊、滿載細(xì)胞的生物相容性材料放置于病灶中。奧日博爾特說：“在未來，或許可以讓病人躺在生物打印機下接受治療，”而且他的愿景并不局限于膝蓋，“不論是身體的哪一部分需要修復(fù)，生物打印機都可以做到�！�

許多人都與奧日博爾特的目標(biāo)一樣，希望利用那些精心設(shè)計的模型生產(chǎn)出可以修復(fù)或替代身體損壞部分的活性組織。除了骨骼和軟骨以外，研究者正在嘗試通過在體外打印出皮膚、包括視網(wǎng)膜在內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)組織以及腎臟、心臟等器官，并將它們移植入患者體內(nèi)，但是即使簡單的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于臨床實踐也需要10年甚至更久。在制造出腎臟等復(fù)雜器官之前，研究者需要提煉材料、改良植入技術(shù)和提升創(chuàng)造更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)（比如血管）的能力。如果3D打印能夠制造出那些具有一定市場需求的組織，它就能對再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生顛覆性影響：生產(chǎn)出唾手可得的移植器官和組織，從而讓需要接受移植的患者從等待名單中去除。


· 一個工程學(xué)奇跡

在工程學(xué)領(lǐng)域，“3D打印”是一個覆蓋面很廣的術(shù)語,它泛指那些通過逐層擠出沉積材料構(gòu)建出任何設(shè)計物體的一系列技術(shù)。在計算機模式下，3D打印機能制造出其他傳統(tǒng)方法無能為力的物體。例如，無法通過一般工具勾勒的內(nèi)部輪廓。目前這項技術(shù)在快速建模領(lǐng)域得到了廣泛開展，未來它還要涉足從醫(yī)用器材到航天航空業(yè)的各種制造環(huán)節(jié)。

在生物學(xué)領(lǐng)域，3D打印被稱為3D生物打印，它使用了許多相同的技術(shù)，只是變成了處理通常被充填于水凝膠內(nèi)的活細(xì)胞。水凝膠是一種柔軟的膠樣聚合物，可以貯藏大量水分，但它又因為極富黏性而可以塑形（至少可以維持一段時間）。細(xì)胞也可以懸浮在溶液中，就像打印機墨水中的色素顆粒一樣。生物墨水通過墨汁噴嘴噴射出來或者擠壓到一個基板上，并因溫度和壓力的變化、添加化學(xué)物質(zhì)或一個波長的光而固化。一旦確切的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，我們就可以加入營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子來促使細(xì)胞發(fā)育成目標(biāo)組織。

▲3D打印的血管支架

研究人員正在測試打印各種組織類型的技術(shù)組合。為什么呢？舉個例子，骨骼在充滿細(xì)胞的水凝膠支架中生長得最好，這種支架結(jié)構(gòu)引導(dǎo)細(xì)胞生長并給予細(xì)胞生長方向的線索。但是奧日博爾特說，軟骨在自由生長的情況下長勢最好，該生長方式與軟骨在胚胎體內(nèi)的發(fā)育方式相同，支架會抑制其生長發(fā)育，處于一塊水凝膠中的軟骨細(xì)胞不能與存在于另外一塊膠中的細(xì)胞進(jìn)行很好的信息交換，因此不能發(fā)出使它們同步生長并融合為一塊更大組織的信號。

奧日博爾特已經(jīng)利用褐藻膠（一種海藻提取物）開發(fā)出一種全新的生物墨汁。他通過逐層擠出沉積材料，擠出了數(shù)條含有軟骨細(xì)胞的墨汁薄層，而這些墨汁薄層同步生長并形成了一塊大的組織。他希望通過這種技術(shù)利用胰腺細(xì)胞打印出胰島——胰腺中一種可以合成胰島素的部分——并移植入I型糖尿病患者體內(nèi)。他開發(fā)的這項技術(shù)已經(jīng)在活體動物實驗中取得成功：通過向生物墨汁中加入膠原蛋白，他可以在顱骨受到損傷的大鼠傷口上搭建起新的骨骼和皮膚。

達(dá)里爾•利馬（Darryl D'Lima）是加利福尼亞州圣地亞哥市斯克里普斯診所矯形外科研究所的主任，他說，通過生物打印技術(shù)生產(chǎn)出的軟骨優(yōu)于供者組織以及用于膝關(guān)節(jié)置換的塑料和鈦合金。雖然利用塑料和金屬制成的置換關(guān)節(jié)可以維持20年，但他們并不像活體組織那樣富有彈性。“金屬、塑料和膠接材料僅僅在被植入的時候是最堅固的，”利馬說，“此后，它們只能變得越來越脆弱�！倍�生物打印出的軟骨相較于供者組織的移植物更加結(jié)實。生物打印不僅可以根據(jù)實際損傷的形狀對組織進(jìn)行量身定做，避免切除周圍的健康組織，而且生物墨水還可以填充到手術(shù)無法解決的微小裂隙中，從而使組織整體變得更堅固，這一點沒有任何一種手術(shù)可以做到。不過他承認(rèn)這在目前只是一種設(shè)想，因為該技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好去參與對照臨床試驗。雖然包括利馬在內(nèi)的研究人員正在用實驗動物來檢驗該技術(shù)制造出的產(chǎn)品，但是到目前為止還沒有證明其優(yōu)于傳統(tǒng)移植物的報告。

▲耳形軟骨：首批成功被用于臨床的生物3D打印組織之一

利馬一直在研究3D打印在眼科治療中的應(yīng)用，目的是治療由視網(wǎng)膜老化造成的失明。利馬和加利福尼亞州斯坦福大學(xué)眼科醫(yī)生杰弗里•戈爾德貝格（Jeffrey Gddberg）一起將視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞打印到支架上并觀察他們是否能長成視網(wǎng)膜。由于神經(jīng)節(jié)細(xì)胞是神經(jīng)元，它們需要在某個特定的方向上生長。“我們想讓這些神經(jīng)元軸突朝著一個特定方向生長，因為我們想引導(dǎo)他們達(dá)到正確的目標(biāo)�！备隊柕仑惛裾f。神經(jīng)細(xì)胞軸突需要沿著視神經(jīng)生長的特定路徑將視網(wǎng)膜與大腦相連。利馬和戈爾德貝格成功地制造出一種模擬神經(jīng)纖維在眼內(nèi)走向的輻射式支架，然后他們將細(xì)胞沿著支架的路徑走向打印出來。富含層粘連蛋白（一種纖維蛋白）且含有一些褐藻膠的水凝膠可以使視網(wǎng)膜細(xì)胞更好地被錨定在支架原位，以便天然的信號傳導(dǎo)機制促進(jìn)它們向正確的方向生長。在研究人員研制的這種輻射式支架結(jié)構(gòu)中有72%的神經(jīng)軸突是沿著預(yù)定方向生長的，而在二維的培養(yǎng)板上培養(yǎng)細(xì)胞只有11%的成功率。

用生物打印技術(shù)生長的視網(wǎng)膜的一大優(yōu)勢是它的特異性。視網(wǎng)膜包括兩種光感受器：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。視桿細(xì)胞主要集中于視網(wǎng)膜的邊緣，而視錐細(xì)胞主要集中于視網(wǎng)膜中央。生物打印技術(shù)能夠精準(zhǔn)控制這些細(xì)胞的位置。戈爾德貝格說：“你用任何其他技術(shù)根本做不到這一點�！钡�他還補充道，實現(xiàn)生物打印角膜的移植大概還需要幾年的時間，一個重要的挑戰(zhàn)是神經(jīng)細(xì)胞比軟骨細(xì)胞等排列得更加致密，而研究人員還不確定如何實現(xiàn)這種密度。

▲3D打印的皮膚

在該領(lǐng)域還有另外一個研究方向，那就是尋找最好的生物墨汁。不同的材料各有其獨特的性質(zhì)，這些性質(zhì)會影響到這些墨汁的使用、塑形的效果以及對細(xì)胞生長的促進(jìn)作用。理想的墨汁應(yīng)該保持液態(tài)，這樣它才可以更好地散布開來，但它又能在不使用可能危害細(xì)胞生長的化學(xué)物質(zhì)或重劑量的輻射情況下，迅速變成一種較為堅固的凝膠狀結(jié)構(gòu)�！翱v觀生物打印技術(shù)，你就會發(fā)現(xiàn)當(dāng)前該領(lǐng)域的短板就在于很難獲取到合適的生物墨水�！庇�國布里斯托大學(xué)大學(xué)化學(xué)家亞當(dāng)•佩里曼（Adam Perriman）說。佩里曼發(fā)明了一種新型生物墨汁，它是水凝膠Pluronic（有機共聚物泊洛沙姆的一種混合物）和褐藻膠的一種混合物，這種混合物使他能夠精確調(diào)控膠凝時間——雖然Pluronic結(jié)構(gòu)可以很好地保持形狀不變，但是它會隨著溫度的變化融化掉，而褐藻膠膠凝速度又太快了，二者單獨都不能滿足要求。佩里曼利用這種混合墨汁打印出任何一種他想要的形狀，一旦固化，Pluronic就可以被洗掉，而這些被洗掉的凝膠通過一張微孔網(wǎng)過濾出去，從而有利于打印組織汲取養(yǎng)分。

另外，來自韓國慶尚北道浦項工科大學(xué)的機械工程師趙冬雨（Dong-Woo Cho）正在研究用細(xì)胞外基質(zhì)制造生物墨汁。他提取出心臟組織、軟骨或脂肪并去除所有細(xì)胞，只留下胞外基質(zhì)，基質(zhì)內(nèi)包括膠原蛋白、黏多糖等原材料。他將這些材料磨碎，并將其與醋酸和氫氧化鈉混合制成以絲狀物形式擠出的墨汁，當(dāng)這種墨汁加熱到體溫的溫度后會產(chǎn)生膠凝現(xiàn)象。他認(rèn)為，由于該墨汁來自于細(xì)胞賴以生存的基質(zhì)，它能為細(xì)胞的生長繁殖提供更自然的環(huán)境，并且比用非體內(nèi)常見物質(zhì)制成的墨汁更具生物相容性。目前他正在使用該墨汁開發(fā)一種修復(fù)心臟損傷的補丁。

美國北卡羅來納州溫斯頓塞勒姆市維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所主任安東尼•阿塔拉（Anthony Atala）認(rèn)為，一些較為簡單的3D打印組織將在未來幾年應(yīng)用于臨床。第一種可以使用的組織很可能是軟骨——它的結(jié)構(gòu)相對扁平，只包含幾種細(xì)胞并且不需要血供。阿塔拉已經(jīng)成功打印出軟骨和骨骼，并將它們移植入小鼠體內(nèi)。至于人類，在軟骨之后投入應(yīng)用的是諸如動脈和尿道等空心管狀組織，然后是膀胱等空心器官組織�！爱�(dāng)然，所有的組織都很復(fù)雜，但是至少還有一些相對簡單的扁平結(jié)構(gòu)供我們選擇，例如皮膚�！卑⑺�拉說。

▲多功能生物3D打印機Aether 1正在打印骨骼模型

然而，實體器官會有幾十種以上的細(xì)胞類型，而且還需要血管系統(tǒng)為這些細(xì)胞提供養(yǎng)分。直徑大于200微米的細(xì)胞（相當(dāng)于幾根人類頭發(fā)絲的寬度）在離開營養(yǎng)源的條件下將會迅速死亡。因此研究人員想要成功地打印出實體器官，創(chuàng)建出真實的血管系統(tǒng)是一個必要環(huán)節(jié)。

哈佛大學(xué)的一個研究團隊已經(jīng)邁出了解決上述問題的第一步，他們用基本的血管系統(tǒng)打印出一塊厚組織并使其存活了數(shù)周。該團隊使用了三種不同的墨汁：第一種是硅有機樹脂，用于塑形；第二種是混合了多能干細(xì)胞的生物墨汁，用于形成組織；第三種是普盧蘭尼克，當(dāng)它處于室溫時，是一種膠體，但是冷卻后就變?yōu)橐后w。研究人員打印出這種組織，并用普盧蘭尼克制成許多貫穿組織的脈管，打印成功之后，整個組織將冷卻至4℃，繼而普盧蘭尼克變?yōu)橐簯B(tài)流出并形成數(shù)條組織內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)流動的脈管。

通過這個過程，哈佛研究團隊打印出了1厘米厚的組織并使它保持了超過6周的生物活性。這對于用來建立磷酸鈣底膜（骨組織在其上可以生長）的干細(xì)胞來說是一個相當(dāng)長的存活時間�！斑@條研制道路沒有終點，我們要打印出更厚的組織�！鄙�物工程師兼團隊領(lǐng)導(dǎo)人珍妮弗•劉易斯（Jennifer Lewis）說。在本次研究中所使用的血管系統(tǒng)并不成熟，只是連續(xù)幾層組織中縱橫交錯的管道。她說，真實的器官需要更復(fù)雜的靜脈和粗細(xì)不同的毛細(xì)血管。

要知道，生物打印的潛力還不只是身體部位對等器官的替換。奧日博爾特正在展望使用新型組織賦予人體新功能的前景。例如，他的實驗室已經(jīng)初步涉足這一領(lǐng)域，旨在制造出一種器官使體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——這是電鰻的特異功能。這樣一來人類可以自帶內(nèi)置的、可反復(fù)充電的電池驅(qū)動從起搏器到假肢的各種體內(nèi)裝置。當(dāng)然，即使打印技術(shù)無法賦予人類這些超人一般的能力，這項新技術(shù)還是會翻開醫(yī)學(xué)史的新篇章。如果生物打印技術(shù)可以生產(chǎn)出無限量的可替代組織器官，那么會有多少生命被拯救，又會有多少人的身體將會被改善呢？

延伸閱讀：《中國生物3D打印發(fā)展到什么程度了？第二屆Regenovo生物3D打印學(xué)術(shù)高峰論壇·杭州》

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來源：科學(xué)世界