打印“活物”

涂皘

“活物”打印年表

2000年，自詡為“生物打印之父”的美國克萊姆森大學(xué)生物工程師托馬斯·博蘭開啟了“活物”打印的新紀(jì)元。他改裝了一臺實驗室中的惠普噴墨打印機，先后把大腸桿菌、哺乳動物細胞裝進墨盒進行打印，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有90%的細胞存活。博蘭德此舉并非出于好玩，因為在他之后，越來越多的科學(xué)家認識到打印機與再生醫(yī)學(xué)之間存在著的“某種關(guān)聯(lián)”，并逐漸將打印方式由二維衍生到了三維。

打印原料是“活”的

你可別被3D生物打印機搞懵了——生命絕對不是這樣輕而易舉就能創(chuàng)造的。事實上，并不是3D生物打印機“賦予”成品以生命的，打印的原材料本身就是“活”的。

普通3D打印機用的“墨水”是各種材料，例如金屬、塑料、陶瓷等，經(jīng)過噴嘴處高溫或激光處理，“墨水”呈熔融狀態(tài)，像被抽絲剝繭般從噴嘴處噴出。待打印完成，“墨水”冷凝，便形成了立體結(jié)構(gòu)。

金屬、塑料、陶瓷都是沒有生命的，而3D生物打印機需要的“生物墨水”卻是如假包換的生命——細胞。打印什么組織就用什么組織的細胞：制造軟骨的“生物墨水”中含有軟骨細胞，打印膀胱的“生物墨水”中含有構(gòu)成膀胱的兩種混合細胞，肝實質(zhì)細胞則是制備肝臟組織“生物墨水”的主要成分。通常，一滴生物墨水中含有1萬至3萬個細胞。

層層堆砌的打印

與其他3D打印機類似，3D生物打印機的工作原理也是“層層堆砌”：將一張張“薄片”不斷疊加，逐漸累積成為一個立體實物。

面對這般如同蓋房子似的工程，或許你會心存疑問：磚頭之間是靠水泥和砂漿黏結(jié)的，那么細胞之間靠什么“團結(jié)”在一起呢？原來，要讓打印后的細胞“手拉手”塑型成塊，還需要在墨水中添加一種水凝膠的成分。

水凝膠有兩個用途：其一，起到膠水的作用，幫助細胞粘連；其二，是器官模型的支架，在塑型完成后可自然降解。為此，有些型號的3D生物打印機有兩個墨盒，分別裝有生物墨水和水凝膠，并連接著兩個噴嘴。

我們以打印一根血管為例，來看看3D打印如何制造“活物”。首先，血管細胞按照設(shè)定好的程序，在水凝膠上“打印”成環(huán)狀；接著，覆蓋一層水凝膠，在其之上再打印一圈血管細胞；不斷重復(fù)這個過程，直到打印出來的血管長度符合所需；最后，將水凝膠降解，堆積的血管細胞開始重新組織、融合，形成新的血管。每根血管大約需要一小時形成，而融合在一起則需要數(shù)天時間。

器官打印的步驟

要打印一個器官，大致需要三大步驟。

第一步：建模過程。計算機輔助設(shè)計建模，通過對已有斷層掃描或核磁共振等數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)，建立待打印器官的3D模型。

第二步：打印過程。在計算機的控制下，將細胞按模型堆積成為一個3D立體結(jié)構(gòu)。

第三步：后處理過程。對打印后的器官進行灌注培養(yǎng)，不斷“喂食”營養(yǎng)液，使其保持活力并進一步成熟，最終應(yīng)用于人體植入。

定制你的專屬器官

在傳統(tǒng)的器官移植手術(shù)中，直系親屬的器官是首選，其次是捐獻者的器官，但這兩者的來源畢竟有限，且術(shù)后的排異反應(yīng)令人心生膽怯。

毫無疑問，“用自己的器官”是器官移植手術(shù)發(fā)展的方向之一，3D生物打印為定制器官的實現(xiàn)提供了可能。一旦成功，它將造福千千萬萬的人，并對整個人類社會產(chǎn)生深遠的影響。但從打印細胞到打印組織和器官，仍是一項艱難的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：從“單色打印”到“彩色打印”

絕大部分人體的器官不是由單一的細胞構(gòu)成（如成人的腎臟由近30種細胞構(gòu)成），且根據(jù)功能在不同區(qū)域集中分布。這就需要準(zhǔn)備多種“生物墨水”，就像彩色打印機一樣，有多個墨盒儲存不同色彩的顏料。

挑戰(zhàn)二：從“離體打印”到“在體打印”

在一起開放性顱腦外傷修復(fù)手術(shù)中，外科醫(yī)生要先后對受損的大腦組織、敲碎的顱骨和撕裂的頭皮組織進行修復(fù)。試想一下，在手術(shù)室架設(shè)一臺3D生物打印機，進行修補手術(shù)的醫(yī)生就可以直接在需要修復(fù)的部位打印人體組織，那將是多么神奇的場景吶！

在上世紀(jì)中期打印機剛剛問世的時候，大概誰都未曾料到，它將給整個醫(yī)學(xué)界帶來革命性的變化。如今，3D生物打印機儼然成為了“活物”制造的“工廠”。這些“活物”不僅可以供給器官移植手術(shù)，更能為體外藥物實驗、醫(yī)學(xué)生模擬手術(shù)提供絕佳材料。不妨大膽試想，有朝一日打印機“打印”的不再是器官，而是活生生的個體……

杭州電子科技大學(xué)生物工程專業(yè)的徐銘恩教授，帶領(lǐng)團隊，研發(fā)出了中國首臺生物3D打印機，能夠直接打印出人體活細胞。

2000年

生物工程師托馬斯·博蘭改裝了一臺惠普噴墨打印機，用于打印大腸桿菌。

2009年

瑞士伯爾尼的一個研究團隊用3D打印機打印出尺寸精準(zhǔn)的人的拇指指骨。

2011年

美國維克森林大學(xué)的研究員安東尼·阿塔拉展示了他的3D打印腎臟技術(shù)。

2012年

美國密歇根大學(xué)公共醫(yī)療中心完成了世界首例3D打印的人工氣管移植手術(shù)。

2013年

美國普林斯頓大學(xué)的研究員邁克爾·麥卡爾平制造出一只功能齊全的“仿生耳朵”。