細(xì)胞變墨水，3D打印器官在移植

許文凱

3D打印應(yīng)用廣泛“無所不能”

3D打印技術(shù)已經(jīng)有將近20年的歷史，使得多功能、個(gè)性化的創(chuàng)意設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在的“3D食物打印機(jī)”已可以實(shí)現(xiàn)放入食品原料，輸入菜譜后輸出美味佳肴；“3D塑料打印機(jī)”使得各種奇形怪狀的玩具、珠寶等塑料品進(jìn)入人們的生活；環(huán)保又安全的3D打印汽車不再是科幻電影中的某個(gè)場景；各種個(gè)性款式的衣服也可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)?？偠灾?，3D打印引領(lǐng)了個(gè)性化時(shí)代，應(yīng)用廣泛，幾乎無所不能。而其中一個(gè)非常重要的領(lǐng)域就是3D打印在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，3D生物打印機(jī)更是掀起了醫(yī)療界的又一場革命，它是等待器官捐獻(xiàn)患者的一大福音。

3D打印的基本工作原理

所謂3D打印即是一種通過前期的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，利用噴墨打印的方式打印出真實(shí)三維立體結(jié)構(gòu)的技術(shù)，簡單說就是電腦和打印機(jī)的結(jié)合。通過前期計(jì)算機(jī)關(guān)于物體的結(jié)構(gòu)、形狀和顏色等各個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，再到后端的打印設(shè)備（也就是我們通常稱為的3D打印機(jī)），打印機(jī)的噴頭根據(jù)電腦中的空間掃描圖或三維設(shè)計(jì)立體虛擬圖慢慢噴出所用原材料到多個(gè)薄層上，像“疊羅漢”一樣層層將二維圖像砌成精確率極高的立體實(shí)物，這種工藝與激光成型技術(shù)類似，都是采用分層加工和疊加成型的兩步，實(shí)質(zhì)就是二維平面印刷的疊加，將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的圖像打印出平面的層（最薄的層可以達(dá)到100μm厚度），層與層之間根據(jù)要求再添加一些諸如聚酰胺塑料粉、鈦粉等特殊粒子，通過離子束或電子束使得層與層之間緊密膠合形成最終的立體實(shí)物。其與傳統(tǒng)的去除材料減法工藝完全不同，完全省去了金屬切割、研磨打孔等繁瑣的工藝環(huán)節(jié)，同時(shí)賦予設(shè)計(jì)制作無窮的設(shè)計(jì)自由，只有設(shè)計(jì)不出來的，沒有打印不出來的。同時(shí)還有一種方法也可以形成三維立體結(jié)構(gòu)，通過激光或膠水先造出一個(gè)材料為樹脂、金屬或塑料的三維結(jié)構(gòu)模型，然后根據(jù)具體的計(jì)算模型往上一點(diǎn)點(diǎn)添加原材料，這種三維印刷技術(shù)又叫做“添加印刷技術(shù)”。

3D打印在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

3D打印在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用原理

3D打印在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，同樣基于上述基本原理，通過對連續(xù)物理層的創(chuàng)建獲得細(xì)胞組織甚至是器官。具體也是分層加工和疊加成型兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑液滴非常小且不易擴(kuò)散的“特殊膠水”，隨后均勻噴灑一層粉末，有膠水的地方類似于陽圖中的文字部分迅速固化凝結(jié)，無膠水部分保持松散狀態(tài)，類似于空白部分，在后期處理過程中再去掉。這樣層層膠體疊加，實(shí)體模型被打印出來。只不過在生物打印上，具體的材料則由傳統(tǒng)的耗材改為生物耗材。

3D打印在醫(yī)學(xué)上的原料

在生物打印中，所用材料分別被稱為“生物墨”和“生物紙”，其中生物紙主要成分就是水的凝膠，它包含兩種糖分子鏈，當(dāng)添加一種反應(yīng)性的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，兩種鏈發(fā)生交聯(lián)作用得到一種無紡布化學(xué)等價(jià)物，從而在幾分鐘之內(nèi)從液體變成凝膠，其破裂形成碎片再重新建造的過程為細(xì)胞增值生長組織重生提供骨架，也可以使用“熱逆”凝膠（一種無毒、可以進(jìn)行生物降解的黏合劑，具有逆熱的特性，溫度低于20℃時(shí)呈液態(tài)，高于20℃則呈固態(tài)）；生物油墨則是從骨髓或脂肪中按照相應(yīng)要求提取的干細(xì)胞，然后將其放在一個(gè)營養(yǎng)豐富的液體環(huán)境中，通過不同類型的成長因子培養(yǎng)分化為不同類型的細(xì)胞，如血管和心瓣膜的細(xì)胞，將這些細(xì)胞分散成液滴狀以供噴墨打印使用（保持每個(gè)液滴具有1到3萬個(gè)細(xì)胞的黏稠度），同時(shí)對噴墨頭的性能也具有一定的要求，必須能夠保持一定速度和數(shù)量的噴射出人體細(xì)胞（通常細(xì)胞以1inch/s的速度射出，加速度可達(dá)到1000倍重力），這就滿足了生物打印的油墨要求。

3D打印出細(xì)胞器官的工作流程

生物紙和生物墨提供好以后，相關(guān)技術(shù)人員通過測量病人的傷口等診斷工作獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算設(shè)計(jì)出相應(yīng)模型，確定最終需要的細(xì)胞數(shù)量范圍和模型分布，按照要求將足夠的細(xì)胞裝入生物打印機(jī)的“墨盒”中，充當(dāng)油墨的細(xì)胞和充當(dāng)紙張的液體水凝膠能夠融合連接在一起，彼此接觸慢慢形成水凝膠固體層，最后在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型的控制下足夠的固體層層層疊加，細(xì)胞融合到組織形成三維空間結(jié)構(gòu)，得到最終的打印品。這就以噴墨印刷的方式，完成了“墨盒”中相應(yīng)組織細(xì)胞的“定點(diǎn)植入”，這就是3D打印實(shí)現(xiàn)器官細(xì)胞打印的整個(gè)過程。簡單來說，就是將細(xì)胞打印在培養(yǎng)皿中得到的液體水凝膠上，打印機(jī)反復(fù)添加液體、化學(xué)成分和細(xì)胞，一層層地把組織層制造出來，最終疊加創(chuàng)造出三維的生物機(jī)體，具體流程如圖1和圖2所示。

生物器官打印的所要思考的問題

通過3D打印來實(shí)現(xiàn)生物器官的按需印刷，利用所需要的細(xì)胞來進(jìn)行組織和器官的再造，在理論上是完全行得通的，而且已經(jīng)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)取得成功，誤差可以控制在20微米以內(nèi)，得到的器官也可以顯著降低排異反應(yīng)。但應(yīng)該看到，這種打印機(jī)目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，也只是復(fù)制一些簡單的器官，比如皮膚、肌肉和較短的血管等，而且主要以研究為目的，包括動(dòng)脈和靜脈血管以及其他身體器官等較為復(fù)雜的器官，如何制造并改進(jìn)是值得思考研究的。有相關(guān)文獻(xiàn)上寫到對于復(fù)雜的器官，可以先用水溶性材料打印一個(gè)用于排列細(xì)胞的“支架”，通過細(xì)胞的排列來完成器官的再造，一旦完成打印就清洗掉支架，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)更換器官的遠(yuǎn)景目標(biāo)。再者復(fù)制器官內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜的滋養(yǎng)器官為器官供養(yǎng)的血管網(wǎng)絡(luò)同樣是非常困難的，這對計(jì)算機(jī)模型的設(shè)計(jì)人員和電腦本身的數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)人員提出了巨大的挑戰(zhàn)，為此相關(guān)文獻(xiàn)提出最好的辦法可能是打印出一個(gè)器官最大的連接性血管，然后給那些大血管細(xì)胞留出充足的時(shí)間、空間和理想環(huán)境自造剩余血管，足夠大的空間同時(shí)可以保證在打印的過程中為細(xì)胞提供充足的氧氣和養(yǎng)分，解決了復(fù)雜器官的正常循環(huán)和新陳代謝，最終器官便可以被植入體內(nèi)，經(jīng)科學(xué)家預(yù)測，通過世界上第一臺(tái)“三維生物印刷機(jī)”可在2015年內(nèi)“印刷”出直接用于心臟搭橋手術(shù)需要的動(dòng)脈，在2020年內(nèi)“印刷”出心臟和肝臟等重要器官。

生物印刷作為新興技術(shù)為印刷又開辟了一片新的領(lǐng)域，其通過印刷的方式得到生物材料和生物芯片，利用與傳統(tǒng)噴墨印刷設(shè)備相同的精密度及多層技術(shù)，使用特別設(shè)計(jì)的噴墨印刷設(shè)備，得到了人造血管和活細(xì)胞；利用“器官印刷”技術(shù)來得到器官供體。作為新興領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)偉大技術(shù)，其正在努力嘗試，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，相信會(huì)得到一定的突破。但無論如何，其為印刷指明了多領(lǐng)域滲透和交叉的發(fā)展方向。細(xì)胞變墨水，3D打印器官在移植，讓印刷人拭目以待！endprint