小時候，我們在《西游記》中會看到這樣的景象：觀音菩薩拿著蘸了玉凈瓶甘露的楊柳枝，將露水灑向一個氣息全無的人之后，這個人馬上就會活過來。當時我們只會覺得觀音是一個能夠讓人起死回生的神仙，卻不知道為什么她會有那么大的神力。長大后，我們才明白，那僅僅是一個神話而已，人終究是要面對死亡的。

3D生物打印技術(shù) 讓起死回生不再遙遠？ 

死亡，對于大多數(shù)人來說通常是一個非?？植赖脑掝}，因為它是人們命運最終的結(jié)果，這是一件任何人最終都將要面對而又無法改變的一件事。那些看起來能夠讓人起死回生的“法力”似乎僅停留在故事里。

但是，科技發(fā)展到今天，我們雖不能做到讓死去的生命再次復(fù)活，但可以讓垂危的生命得以延續(xù)。至少，3D生物打印技術(shù)就已經(jīng)開始改變?nèi)祟惿鐣恕?/p>

第2頁：一臺打印機造一只耳朵？

●一臺打印機造一只耳朵？

用一臺打印機制造一只耳朵，這種只在電影中見到的場景如今已經(jīng)發(fā)生在我們周圍。2016年2月15日，來自美國北卡羅萊納州維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們稱，他們已經(jīng)創(chuàng)建了一臺可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機，而這些通過3D打印機打印出來的器官、組織和骨骼能夠直接植入人體。這一成果已于當日發(fā)表在科學(xué)雜志《Nature Biotechnology》上。

維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所3D打印的顎骨和耳軟骨

論文稱，與大多數(shù)3D打印機一樣，科學(xué)家們此次研發(fā)的3D打印機的噴嘴依靠計算機控制，以一種非常精確的模式逐層擠出沉積材料。這些沉積材料最終會硬化，并生成任何想要的對象，不過，與其他3D打印機使用熔融的塑料或者金屬材料不同的是，這款3D打印機擠出的主要是含有人體細胞的水凝膠。

維克森林大學(xué)用來制造器官、組織和骨骼的組織和器官集成打印系統(tǒng)(ITOP)

實際上，該3D打印機擁有多個噴嘴，一些擠出水凝膠，還有一些則擠出可生物降解材料，用來給打印出來的組織提供結(jié)構(gòu)和強度支持。當輔助材料溶解和組織在機器中完成孵化時，它就有可能植入人體。研究人員先對人耳、下顎骨、肌肉進行3D掃描，從而創(chuàng)建數(shù)字模板，然后打印出一塊耳形的軟骨、一塊肌肉和一塊下頜骨，并把它們植入小鼠體內(nèi)。

3D打印的肌肉

3D打印器官是目前生物3D打印界的終極目標之一，事實上，很早以前，研究人員就已經(jīng)在實驗室里培植人體器官，但是直到上世紀90年代，“3D生物打印”才突然引起人們的關(guān)注。

用機器制造活生生的器官，看上去不可思議的技術(shù)到底有多神秘？3D生物打印機是如何工作呢？

第3頁：以生物墨水為原料的打印

●什么是3D生物打印？

所謂的3D生物打印，指的是一種以計算機三維模型為基礎(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)品的3D打印技術(shù)。

3D生物打印機

3D生物打印的最終目的是為了解決移植器官來源有限的問題，因為在現(xiàn)有的醫(yī)療手段中，一個器官的獲取要以另一個器官的喪失為前提，而主動失去器官的數(shù)量又遠遠少于需要的器官，例如，中國每年需要肝臟移植的末期肝病患者有100萬左右，其中，只有3000到4000人接受了移植手術(shù)，而每年需要透析的12萬例病人中，只有1/20可以找到腎源，愿意捐獻器官的人數(shù)是少之又少。因此，研究者們開發(fā)了很多替代方案，使用動物來源的器官或者人工制造的器官胃病患者服務(wù)。3D生物打印機的出現(xiàn)，有可能解決這個方面的問題，從而延續(xù)病人的生命，提高他們的生活質(zhì)量。

3D生物打印機的原料為生物墨水

3D生物打印機的原料為生物墨水，研究者從人體骨髓或者脂肪中提取干細胞，通過生物化學(xué)手段，使它們分化成不同類型的其他細胞，然后，這些細胞將被封存成“墨粉”，當啟動3D生物打印機時，“墨粉”將通過打印頭聚攏在事先設(shè)計的部位上，打印器官的雛形便逐漸顯現(xiàn)。

俄羅斯3D Bioprinting Solution公司的FABION 3D生物打印機

3D生物打印機的開發(fā)其實還是基于現(xiàn)有的打印技術(shù)，這些技術(shù)曾被用于制造工業(yè)零部件，而3D生物打印機的不同之處在于，它使用了生物材料，可以復(fù)合細胞、生長因子等活性成分，從而逐層構(gòu)件活體組織。世界上第一臺3D生物打印機的原型機已在2009年底由Organovo公司制造出來，2010年被《時代周刊》評為2010年50項最佳發(fā)明之一。

第4頁：3D生物打印的技術(shù)原理

●3D生物打印的技術(shù)原理

3D生物打印技術(shù)目前還處于開發(fā)的初級階段，通過電腦建模程序來設(shè)計需要打印的器官剖面圖，從而精準指導(dǎo)隨后的打印過程。研究者在供打印的液態(tài)材料中復(fù)合從骨髓、脂肪等組織中提取的干細胞，或不同的活性因子，通過打印頭將液體按照一定圖案打印在接收平臺上。打印頭每打印一層，就會提升一個層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實現(xiàn)人造組織的成型，跟普通3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的模型制造過程類似。

3D生物打印技術(shù)的過程（圖源：genetics.ac.cn）

3D生物打印機可以被置于生物安全柜中，可進行無菌操作，打印后的組織可以直接被植入患者體內(nèi)，以被置于生物安全柜中，可進行各種無菌操作。打印后的組織可直接被植入患者體內(nèi)，其中的細胞在生長因子的調(diào)控下，重新組合、分化，最終形成新的組織和器官。以皮膚打印過程為例，一般需要經(jīng)過皮膚樣品三維建模、形成脂肪原型、3D打印皮膚樣品三個步驟才能完成。

3D打印皮膚的步驟（簡圖）

從理論上講，3D生物打印機可以使用CT等掃描技術(shù)，得到患者身體的各個部位精確圖像數(shù)據(jù)，并在隨后的短時間內(nèi)打印出相應(yīng)的組織，由于這些結(jié)構(gòu)來源于病人的身體掃描，因此，打印后的植入物完全可以模擬原有的器官，順利地進行替換，從而減輕了植入過程對患者的身體帶來的負擔。

第5頁：3D生物打印能打印出什么？

●3D生物打印技術(shù)能干嘛？

現(xiàn)有的3D生物打印機的研究還處于早期階段，但是發(fā)展前景為大家所期待。據(jù)澳大利亞Invetech和美國Organovo兩家公司宣稱，3D生物打印技術(shù)將在5年內(nèi)實現(xiàn)對功能性大血管的打印，十年內(nèi)實現(xiàn)心臟或者肝臟等器官的打印。由此可見，3D生物打印技術(shù)的成果可能會給醫(yī)療界帶來一場革命。那么，3D生物打印技術(shù)給我們帶來了哪些驚喜呢？

1.3D打印腎臟原型

卡羅萊納Wake Forest大學(xué)3D打印腎臟

美國被卡羅萊納Wake Forest大學(xué)Anthony Atala等人使用復(fù)合細胞的水凝膠材料，逐層打印，構(gòu)建出類似于腎臟的結(jié)構(gòu)。從而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人體器官，以達到為患者提供量身定做的器官替代品的目的。

2.3D打印人耳

美國康奈爾大學(xué)工程師與醫(yī)生們3D打印人工假耳

美國康奈爾大學(xué)工程師與醫(yī)生們結(jié)合3D打印技術(shù)以及活性細胞制成的可注射膠造出了與人耳幾乎完全一樣的人工假耳，在外觀與功能上與真耳相差無異，并且在3個月之內(nèi)，這些耳朵即可長出軟骨，替換掉其中用于定型的膠原。

3.3D打印肝臟

蘇格蘭科學(xué)家利用人體細胞3D打印肝臟組織

蘇格蘭科學(xué)家率先研制出利用人體細胞打印人造肝臟組織的技術(shù)，研究人員研制出了基于瓣膜的細胞打印流程，可以生產(chǎn)特定的細胞種類，容量僅為2nL或每滴小于5個細胞。這一研究結(jié)果對醫(yī)藥行業(yè)意義非常重大，它能把人體對藥物的反應(yīng)模擬的更加逼真，有助于選出高效的藥物。

不過這一技術(shù)面臨著很大挑戰(zhàn)就是，怎樣保證研發(fā)出更容易操控和更精細的打印噴嘴，以有效保護細胞和組織的生存能力。隨后，研究人員開發(fā)了基于瓣膜的雙噴嘴打印機，用于打印高質(zhì)量的細胞，包括打印首個用于組織再生的胚胎干細胞。

4.3D打印仿生組織

3D打印具有人體細胞功能的仿生組織

英國牛津大學(xué)研究出最新3D打印技術(shù)，將水和液體分子連接在一起，形成了具有人體細胞功能的“液滴（仿生組織）”。每個液滴是直徑約為50微米的透明空腔，這些打印出的“功能液滴”可用于人體組織，或者作為新方法為人體投遞新藥，相關(guān)研究發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。 

第6頁：全球首例3D生物打印機問世

●全球首例3D生物打印機問世

如今，在3D打印生物領(lǐng)域取得了大量的科研突破，這些突破將使得我們在未來數(shù)年內(nèi)實現(xiàn)3D打印器官和組織的前景越來越清晰，從而最終取代人體器官移植的應(yīng)用，讓更多的病患者不再因為一時找不到合適的替代器官而痛苦。其實，3D生物打印離我們并不遙遠，不僅在國外大放異彩，在國內(nèi)也是摸得著看得見的。

央視新聞頻道報道的全球首臺3D血管打印機（圖源：央視《朝聞天下》截圖）

藍光英諾全球首款生物血管3D打印機發(fā)布會現(xiàn)場

據(jù)央視2015年10月26日報道，我國863計劃之一的3D打印血管已經(jīng)獲得重大突破，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機由四川藍光英諾生物科技有限公司成功研制。據(jù)介紹，該款血管打印機性能先進，僅僅2分鐘便打出10厘米長的血管。

中國四川RevoTek 藍光英諾3D生物打印機，2分鐘可造出10厘米長的血管

與市面上現(xiàn)有的3D生物打印機不同的是，3D生物血管打印機可以打印出血管獨有的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細胞。兩者的根本區(qū)別在于活性，即3D生物打印是打印出含有細胞成分并具有生物活性的產(chǎn)品。藍光英諾開發(fā)的這款3D生物打印機，兩個噴頭源源不斷地噴出由“生物磚”組成的生物墨汁，打印出一根10厘米長的血管，僅需要2分鐘。

藍光英諾開發(fā)的3D生物打印機全貌 

藍光英諾首席科學(xué)家康裕建描述了血管打印的過程：首先是內(nèi)皮細胞，最后是成纖維細胞，每一層用到的生物墨汁都不一樣，富含的營養(yǎng)成分也不同，通過打印桿上一層特殊的冷凝材料、滋養(yǎng)每個細胞層的打印過程……當環(huán)境溫度在0—4攝氏度之間時，就可以形成3D生物打印血管的雛形了；當周邊環(huán)境逐步提升到常溫，冷凝材料從已塑形的打印血管內(nèi)剝落；打印血管也將置于營養(yǎng)液環(huán)境中，慢慢擁有活性，直到可以與其他器官、組織“自然結(jié)合”……

3D生物血管打印的核心技術(shù)：生物磚（Biosynsphere）

3D生物血管打印的核心技術(shù)是生物磚（Biosynsphere），生物磚并不是磚塊，也不是方方正正的形狀，而是一種新型的、精準的、具有仿生功能的干細胞培養(yǎng)體系。它可以利用含種子細胞、生長因子和營養(yǎng)成分的“生物墨汁”，結(jié)合其他材料層層“打印”出具有生物活性的產(chǎn)品，再經(jīng)過培育處理，形成具有生理功能的組織結(jié)構(gòu)。

第7頁：3D生物打印技術(shù)、審批困境

●3D生物打印的技術(shù)、審批困境

目前的3D生物打印技術(shù)除了能夠打印部分人體器官之外，還能打印出血管組織，但我們依舊有很多疑問：打印出的這些器官組織具備生物活性嗎？是否具有跟自然器官一樣的功能？這些器官組織能否解決血管內(nèi)皮化、血管堵塞等問題？

雖然打印人體器官在目前看來不是難事，但一個不可否認的事實就是：當3D打印的器官放置于人體以后，如何與人體真正的細胞相融合，而且如何發(fā)揮出真正器官的功效？到目前為止，在3D打印器官方面，出現(xiàn)了很多“半成功”的案例，我們之所以說“半成功”，是因為它們大多數(shù)都無法正常工作，或者僅僅只能存活幾天時間，如何克服存活難題將是3D生物打印技術(shù)核心的問題之一。

3D打印血管（圖源：baidu）

國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家們認為，3D生物打印一般分為四個層次：第一個層次是用普通的工程材料，打印出體外的個性化模型，方便醫(yī)生用于診斷、交流或者設(shè)計手術(shù)方案。第二個層次是用生物相容性良好、不可降解的材料，打印出可以移植到病人體內(nèi)的植入器件，替代受損部位。第三個層次是用可降解材料，為組織再生打印出含有豐富空隙的支架，接種細胞以后，進行體外或者體內(nèi)的培養(yǎng)，以實現(xiàn)缺陷組織的再生和修復(fù)。第四個層次，是用活生生的細胞進行三維打印，打印出模擬組織三維結(jié)構(gòu)的細胞三維結(jié)構(gòu)或類組織。

從第一層到第四層，技術(shù)重點逐漸從對外型結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向?qū)毎陨硇袨榈难芯?，要讓打印出來的細胞能夠存活并建立自己的營養(yǎng)系統(tǒng)，至少需要一二十年的時間。而技術(shù)成熟之后，監(jiān)管審批也有難關(guān)。我們都知道，藥監(jiān)部門批準的產(chǎn)品都用于批量生產(chǎn)，而生物3D打印做的是個性化產(chǎn)品，因此，對3D生物打印產(chǎn)品進行評估、審批是面臨的一大難題。試想，不經(jīng)過國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）批準的3D打印器官組織，就算被成功打印出來，又有哪家醫(yī)院敢用呢？

國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）

監(jiān)管審批是目前3D打印器官組織走向應(yīng)用的一大難題

目前，國內(nèi)外打印出的類組織，只是組織結(jié)構(gòu)相似，不具備組織的功能，因為即使是看起來簡單的組織，人工再造也面臨著巨大挑戰(zhàn)。就拿皮膚來說，看起來薄薄的一層，但其功能很多，除了保護身體功能之外，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。

從全球來看，生物3D打印的前景比較廣闊，目前生物3D打印技術(shù)已經(jīng)在主動脈瓣、種植手術(shù)導(dǎo)板、人工下顎等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，人體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，無數(shù)細胞每天在以我們不能充分理解的神秘方式生長、愈合和變化，我們還沒有解碼細胞之間是如何傳遞的，盡管科學(xué)研究可以將細胞以完美的形狀放在支架上的正確位置，但是仍然沒有人準確地知道如何“啟動”種子細胞，現(xiàn)有的3D生物打印只是剛剛開了個頭，未來3D生物打印技術(shù)的道路還有很長的一段路要走。

【中關(guān)村在線辦公打印頻道原創(chuàng)】