“3D打印”再造人體器官

把人耳用3D打印機制造出來，這一不可思議的應用已經(jīng)在美國得到了實踐。

美國當?shù)貢r間2月20日，康奈爾大學研究人員在《公共科學圖書館綜合卷》上發(fā)表報告稱，他們利用牛耳細胞在3D打印機中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。

3D打印機的原理跟噴墨打印機類似，材料從噴嘴噴出，層層疊覆，最終形成一個三維物體。3D打印無需用紙，而其“顏料”則是ABS（一種樹脂）、PLA（一種生物材料）或聚碳酸酯、金屬粉、黏土，甚至活細胞等這樣的熱塑性原料。這比把一塊材料切掉多余部分來得高效多了。而且不像注塑成型方式，它不需要設置一條裝配線，是一種個性化的生產(chǎn)模式，借助的是計算機輔助設計、激光掃描、材料熔融等技術(shù)。

類似的人體再造例子還有。今年2月，英國赫瑞瓦特大學和一家干細胞技術(shù)公司合作，開發(fā)出一種真空閥門式（valve-based）3D打印技術(shù)，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細胞范圍。這一突破使得利用人類胚胎干細胞來“打造”移植用人體組織和器官成為可能，打印結(jié)構(gòu)還能用于藥物測試，加速改良測試過程。相關(guān)論文發(fā)表在今年2月5日出版的《生物制造》雜志上。如果生物打印機能夠使用病人自身的干細胞，那么器官移植后的排異反應將會減少。

《經(jīng)濟學人》分析，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，或許將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命。如果說20世紀初，誕生于美國、以裝配線為標志的第二次工業(yè)革命，制造業(yè)進入大規(guī)模生產(chǎn)的時代。那么3D打印的出現(xiàn)，將讓制造業(yè)重回小規(guī)模、個性化時代，此時，制造業(yè)的核心將是創(chuàng)造能力，而非規(guī)模優(yōu)勢。

3D打印技術(shù)因此也引來了多國政府的關(guān)注。2012年，美國政府正式宣布建立國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)，推動3D打印技術(shù)向國家主流制造技術(shù)發(fā)展。

據(jù)《科學時報》今年2月報道，繼去年12月工信部副部長蘇波表態(tài)將推動3D打印產(chǎn)業(yè)化之后，近日科技部有關(guān)人士也向媒體透露，目前3D打印相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃正在研究制定中，有望于全國“兩會”后公布。

器官如何打印

3D打印是將設計轉(zhuǎn)為實物的手段。因此，3D打印技術(shù)首先是獲得設計圖。

以打印耳朵為例，美國康奈爾大學研究人員首先利用快速旋轉(zhuǎn)的3D相機拍攝數(shù)名兒童現(xiàn)有耳朵的三維信息，然后將其輸入計算機，3D打印機會據(jù)此打印出耳朵模子。

研究人員在模子中注入特殊的膠原蛋白凝膠，這種凝膠含有能生成軟骨的牛耳細胞。此后數(shù)周內(nèi)，軟骨逐漸增多并取代凝膠。3個月后，模子內(nèi)出現(xiàn)一個具有柔韌性的人造外耳，其功能和外表均與正常人耳相似。

這一技術(shù)有其應用市場。先天性的小耳畸形在中國的發(fā)病率為5.18:10000左右。常規(guī)的治療手段讓患者痛苦，而且塑形困難。3D打印人造耳朵不僅能夠克服上述缺陷，還能夠個性化“定制”，幫助失去部分或全部外耳的人士。

打造人造耳朵只是牛刀小試。英國科學家在進行的項目有著更大的野心：將人類胚胎干細胞用于3D打印，這將使移植用人造組織和器官成為可能。人類胚胎干細胞來自胚胎早期階段產(chǎn)生的“干細胞系”，沒有明確的發(fā)育方向，可以分化為人體內(nèi)任何類型的細胞。

參與上述項目的羅斯林·塞拉博干細胞技術(shù)公司商業(yè)開發(fā)經(jīng)理詹森·金稱，“通常，實驗室培養(yǎng)細胞是在二維平面生長，只有少數(shù)細胞能用三維打印方式。人類干細胞太敏感，難以用這種方式來控制。這是世界上首次將人類胚胎干細胞3D打印出來并進行培養(yǎng)?！?/p>

第三次工業(yè)革命

有人戲稱，如果3D打印機可供家用，那么10年之內(nèi)人們就能下載、打印那些丟失的宜家螺栓了。不過3D打印的意義不僅在此，其將深刻重塑人類工業(yè)生產(chǎn)的圖景。

被譽為中國3D打印之父的中國工程院院士盧秉恒在接受《科學時報》采訪時曾說，3D打印具有制造周期短，適合單件個性化需求等特點，在大型薄壁件、蜂窩狀復雜結(jié)構(gòu)部件、鈦合金等難加工、易熱成形零件方面具有較大優(yōu)勢。

3D打印不必像以前那樣鍛打、彎曲、壓切材料的方式進行生產(chǎn)。《經(jīng)濟學人》舉例稱，比如現(xiàn)在個人如果想讓工廠生產(chǎn)一把自己設計的錘子，采用工廠生產(chǎn)的方式，需支付上千美元的費用。僅做一個錘子，成本將無比高昂，如果是生產(chǎn)成千上萬個錘子，每個錘子的成本將大大降低。

對3D打印機來說，規(guī)模經(jīng)濟并不適用。無論是生產(chǎn)一件產(chǎn)品還是生產(chǎn)機器能容納的最大量的產(chǎn)品，開動機器的成本都是一樣的。這就像二維的辦公打印機一樣，無論打印一個字母，還是直到打印到墨盒沒墨，紙槽沒紙，打印的單位成本總是一樣的。3D打印技術(shù)將使中小企業(yè)甚至個人企業(yè)家大為受益，后者發(fā)布新穎的產(chǎn)品將會更加容易，成本更低。

發(fā)布新穎的產(chǎn)品更加容易，創(chuàng)意、設計能力便將成為工業(yè)生產(chǎn)的核心。《經(jīng)濟學人》分析，“生產(chǎn)方式像個輪子一樣兜了個圈又回到了原點，從大規(guī)模生產(chǎn)方式又轉(zhuǎn)到了更加個性化的生產(chǎn)方式。這一轉(zhuǎn)變反過來將會把制造業(yè)的某些就業(yè)崗位帶回發(fā)達國家。”

雖然3D打印前途無量，但目前普遍的看法是，3D打印在材料和精度方面還是遇到了很大瓶頸，加之成本高企，這些障礙使得3D打印在目前無法獲得廣泛應用。

據(jù)盧秉恒向《科學時報》介紹，目前中國3D打印的大部分應用仍然集中在軍工領(lǐng)域的開發(fā)與模具的制造上。而從設備數(shù)量上看，美國目前各種3D打印設備的數(shù)量占全世界40%，中國只有8%左右。