生物3D打印會(huì)掀起一場醫(yī)療領(lǐng)域顛覆性革命嗎？

毫無疑問，3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)劃時(shí)代的發(fā)明，正在潛移默化地改變整個(gè)世界。而作為跨界領(lǐng)跑者，它成功引起了醫(yī)療領(lǐng)域科研巨頭的注意，眾多科研者也對(duì)此技術(shù)情有獨(dú)鐘。從3D打印器官、假肢，再到與人類健康息息相關(guān)的藥物打印，無不標(biāo)志著未來醫(yī)療發(fā)展的新方向。生物3D打印有以下主要研究領(lǐng)域：皮膚、骨組織、血管、器官（比如心臟，腎臟，胎盤，卵巢等等）、藥物和營養(yǎng)物控釋。南極熊之前詳細(xì)解讀過：【解讀】3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D生物打印的實(shí)質(zhì)
與傳統(tǒng)的減材制造工藝不同，3D打印作為新興的一種快速成型技術(shù)，以數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)文件為基礎(chǔ)，將材料逐層沉積或黏合以構(gòu)造成三維物體的技術(shù)。起初該技術(shù)只是被用于快速制造工業(yè)部件，而當(dāng)其遇到了生物學(xué)則勢必會(huì)碰出新的火花，3D生物打印就此應(yīng)運(yùn)而生。

因而，在3D生物打印過程中，研究者會(huì)以計(jì)算機(jī)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(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。

換言之，3D生物打印所使用的原料是生物墨水，而非傳統(tǒng)的塑料材料。研究者會(huì)從人體骨髓或脂肪中提取的干細(xì)胞，再以生物化學(xué)手段將其“改造”（分化）為不同類型的其他細(xì)胞后，封存為“墨粉”。

當(dāng)啟動(dòng)3D生物打印機(jī)時(shí)，電腦建模程序會(huì)設(shè)計(jì)出需要打印的器官剖面圖，來精準(zhǔn)指導(dǎo)隨后的打印過程；而后“墨粉”將通過打印頭聚攏在事先設(shè)計(jì)好的生活相容性材料上，按照一定的圖案來逐漸形成打印器官的雛形，構(gòu)建活體組織。

眾所周知，細(xì)胞素來嬌貴，對(duì)生長環(huán)境條件要求苛刻，非無菌條件不�。画h(huán)境的溫度、濕度稍不滿足其心意，就會(huì)鬧脾氣（生長不良）、甚至以死相脅。為此，3D生物打印機(jī)需被置于生物安全柜中進(jìn)行無菌操作，同時(shí)須確保適宜的溫度和濕度以避免細(xì)胞死亡。

考慮到構(gòu)成人體不同組織的每個(gè)細(xì)胞類型都需要一個(gè)獨(dú)特的機(jī)械環(huán)境，即需要通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)支撐來正常運(yùn)轉(zhuǎn)其功能，比如骨骼是一種具有抵抗力和脆性的物質(zhì)，心臟的肌肉是有彈性的、堅(jiān)韌的組織，而像肝臟這樣的內(nèi)部器官是柔軟的和可壓縮的�，F(xiàn)階段很多研究者都致力于找到一種可在3D打印機(jī)操作的生物相容性材料，使其對(duì)細(xì)胞造成的傷害降到最小。

最新的研究表明，從海藻中提取的新材料可在不同的環(huán)境中對(duì)人體干細(xì)胞進(jìn)行3D生物打印，而且不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損害，為復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的打印鋪平了道路。

3D打印器官帶來的希望與挑戰(zhàn)

雖然現(xiàn)有的3D生物打印技術(shù)的研究還處于早期階段，但是其發(fā)展前景已經(jīng)備受大家矚目，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)甚至有望徹底改變臨床器官移植的情況。

長久以來，很多患者等待著可與其相匹配的捐獻(xiàn)器官，而由于器官移植需求與可供移植器官之間存在著巨大的缺口，使得很多病人最后只能在漫長而無望的等待中走向死亡。3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，則為這些病人帶來了巨大的希望。澳大利亞每年有1500名接受器官移植的患者希望通過3D打印生物組織來替代器官移植，為他們提供一個(gè)新的解決方案。

盡管目前為止生物3D打印技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了體外手術(shù)模型和人體類器官的打印，但是卻還沒有發(fā)展到可以替代人源器官的程度。而且是即便人體類組織，也只是組織結(jié)構(gòu)相似，而不具備組織的功能。就拿皮膚來說，看起來薄薄的一層，但其功能很多，除了保護(hù)身體功能之外，還有感覺、調(diào)溫、出汗等功能，如果打印出來的皮膚不具備這些功能也是不行的。

而3D打印活體器官之所以最具有挑戰(zhàn)性，是因?yàn)閺募夹g(shù)層面來說，至少需要克服三個(gè)挑戰(zhàn)：1、需要解決打印過程中細(xì)胞能否存活、能否發(fā)育、能否變異甚至腫瘤化的問題。2、3D生物打印機(jī)必須滿足生物仿生對(duì)制造精度、準(zhǔn)確性的極高要求。3、組織及器官是由多材料及多細(xì)胞組成的非均質(zhì)體系，對(duì)制造學(xué)要求也極高。

目前，科研人員正在加緊攻克這些技術(shù)難題。一些如皮膚等相對(duì)簡單組織的打印過程已經(jīng)有所進(jìn)展，該技術(shù)的下一階段就需要與神經(jīng)、血管和淋巴管進(jìn)行整合，以便與宿主系統(tǒng)結(jié)合，為后續(xù)創(chuàng)造出移植器官，如腎臟、肺、心臟或肝臟打下基礎(chǔ)。

雖然3D打印技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里已取得了相應(yīng)成功，但這并不意味很快就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因?yàn)榇蛴〕龅慕M織在確保其安全性、有效性之前，還需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，據(jù)估算，一個(gè)用于組織修復(fù)的3D打印產(chǎn)品從研發(fā)到上市，大致需要5年到6年時(shí)間。

3D生物打印在新藥測試中大顯身手
眾所周知，凡是新藥研發(fā)，若不經(jīng)過九九八十一難，是很難真正走向上市之路的。目前若只以現(xiàn)有的方法將新藥從最初的實(shí)驗(yàn)室研究推向市場，不僅要耗時(shí)十多年之久，還需要花費(fèi)將近25億美元。

有時(shí)即便研發(fā)過程中已經(jīng)確定了新的候選藥物，但是該藥物能獲得監(jiān)管部部門批準(zhǔn)的可能性也是非常低的，以2016年為例，獲得批準(zhǔn)的藥物還不到10%。甚至新藥都已經(jīng)走向人類臨床試驗(yàn)了，根據(jù)藥物分子的類型、試驗(yàn)參與者的疾病癥狀以及死亡情況，其上市可能性也只處于10％至15％之間。

而這些藥物上市失敗的主要原因在于對(duì)人類的藥效較差，盡管它們在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上療效奇佳。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與臨床試驗(yàn)之所以脫節(jié)是因?yàn)槲锓N之間存在不同生理學(xué)：嚙齒動(dòng)物和其他試驗(yàn)動(dòng)物在許多關(guān)鍵方面與人類相較而言是非常不同的。
而3D打印技術(shù)可打印出肝臟、腎臟或心臟肌肉等更為復(fù)雜的3D模型，更適合于用于新藥測試和識(shí)別。目前很多跨國制藥公司已經(jīng)將該模式用于新藥研發(fā)過程中。

雖然研究中動(dòng)物模型必不可少，但是美國FDA以及其新任主管已經(jīng)開始考慮整合藥物安全和功效評(píng)估的替代品。目前將生物打印組織用于藥物研發(fā)已經(jīng)得到科研者的廣泛承認(rèn)，并獲得了澳大利亞的基金申請(qǐng)機(jī)構(gòu)和全球資助項(xiàng)目的基金支持。

3D打印，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的終結(jié)者？

2013，歐洲聯(lián)盟通過了一項(xiàng)新的法律，禁止在其領(lǐng)土內(nèi)通過動(dòng)物來測試化妝品的效果，以及禁止使用國外一些以動(dòng)物試驗(yàn)為檢測基準(zhǔn)的零售化妝產(chǎn)品。

而這項(xiàng)法律法規(guī)無疑加速了基于人體的3D皮膚模型的開發(fā)，該模型可用于測試新的化妝品配方。由此可見，3D打印技術(shù)的可行性以及該技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量的減少，成為了這項(xiàng)法規(guī)通過的重要原因。而類似法規(guī)在澳大利亞也是適用的。

總之，其他行業(yè)的這種顯著變化，再加上科學(xué)技術(shù)的日新月異的進(jìn)步，使得3D生物打印技術(shù)自然而然地成為檢測出有效新藥的一種更快更廉價(jià)的方法。

來源：解螺旋
延伸閱讀：
【解讀】3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用