小時(shí)候，我們在《西游記》中會(huì)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(gè)氣息全無的人之后，這個(gè)人馬上就會(huì)活過來。當(dāng)時(shí)我們只會(huì)覺得觀音是一個(gè)能夠讓人起死回生的神仙，卻不知道為什么她會(huì)有那么大的神力。長大后，我們才明白，那僅僅是一個(gè)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(yuǎn)？ 

死亡，對于大多數(shù)人來說通常是一個(gè)非?？植赖脑掝}，因?yàn)樗侨藗兠\(yùn)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?huì)了。

第2頁：一臺打印機(jī)造一只耳朵？

●一臺打印機(jī)造一只耳朵？

用一臺打印機(jī)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(jī)，而這些通過3D打印機(jī)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(dāng)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(jī)一樣，科學(xué)家們此次研發(fā)的3D打印機(jī)的噴嘴依靠計(jì)算機(jī)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(huì)硬化，并生成任何想要的對象，不過，與其他3D打印機(jī)使用熔融的塑料或者金屬材料不同的是，這款3D打印機(jī)擠出的主要是含有人體細(xì)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(shí)際上，該3D打印機(jī)擁有多個(gè)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(qiáng)度支持。當(dāng)輔助材料溶解和組織在機(jī)器中完成孵化時(shí)，它就有可能植入人體。研究人員先對人耳、下顎骨、肌肉進(jìn)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(biāo)之一，事實(shí)上，很早以前，研究人員就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里培植人體器官，但是直到上世紀(jì)90年代，“3D生物打印”才突然引起人們的關(guān)注。

用機(jī)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(jī)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?。?/strong>

所謂的3D生物打印，指的是一種以計(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)品的3D打印技術(shù)。

3D生物打印機(jī)

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?yàn)樵诂F(xiàn)有的醫(yī)療手段中，一個(gè)器官的獲取要以另一個(gè)器官的喪失為前提，而主動(dòng)失去器官的數(shù)量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)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(dòng)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(jī)的出現(xiàn)，有可能解決這個(gè)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(jī)的原料為生物墨水

3D生物打印機(jī)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(xì)胞，通過生物化學(xué)手段，使它們分化成不同類型的其他細(xì)胞，然后，這些細(xì)胞將被封存成“墨粉”，當(dāng)啟動(dòng)3D生物打印機(jī)時(shí)，“墨粉”將通過打印頭聚攏在事先設(shè)計(jì)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(jī)

3D生物打印機(jī)的開發(fā)其實(shí)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(jī)的不同之處在于，它使用了生物材料，可以復(fù)合細(xì)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(jī)的原型機(jī)已在2009年底由Organovo公司制造出來，2010年被《時(shí)代周刊》評為2010年50項(xiàng)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(jì)需要打印的器官剖面圖，從而精準(zhǔn)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(xì)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(huì)提升一個(gè)層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實(shí)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(jī)可以被置于生物安全柜中，可進(jìn)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(jìn)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(xì)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(gè)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(jī)可以使用CT等掃描技術(shù)，得到患者身體的各個(gè)部位精確圖像數(shù)據(jù)，并在隨后的短時(shí)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(jìn)行替換，從而減輕了植入過程對患者的身體帶來的負(fù)擔(dān)。

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(jī)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(shí)現(xiàn)對功能性大血管的打印，十年內(nèi)實(shí)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(huì)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(xì)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(dá)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(xì)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(gè)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(xì)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(xì)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(xì)胞打印流程，可以生產(chǎn)特定的細(xì)胞種類，容量僅為2nL或每滴小于5個(gè)細(xì)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(xì)的打印噴嘴，以有效保護(hù)細(xì)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(jī)，用于打印高質(zhì)量的細(xì)胞，包括打印首個(gè)用于組織再生的胚胎干細(xì)胞。

4.3D打印仿生組織

3D打印具有人體細(xì)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(xì)胞功能的“液滴（仿生組織）”。每個(gè)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(jī)問世

●全球首例3D生物打印機(jī)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(shí)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?yàn)橐粫r(shí)找不到合適的替代器官而痛苦。其實(shí)，3D生物打印離我們并不遙遠(yuǎn)，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?lì)l道報(bào)道的全球首臺3D血管打印機(jī)（圖源：央視《朝聞天下》截圖）

藍(lán)光英諾全球首款生物血管3D打印機(jī)發(fā)布會(huì)現(xiàn)場

據(jù)央視2015年10月26日報(bào)道，我國863計(jì)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(jī)由四川藍(lán)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(jī)性能先進(jìn)，僅僅2分鐘便打出10厘米長的血管。

中國四川RevoTek 藍(lán)光英諾3D生物打印機(jī)，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(jī)不同的是，3D生物血管打印機(jī)可以打印出血管獨(dú)有的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細(xì)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(xì)胞成分并具有生物活性的產(chǎn)品。藍(lán)光英諾開發(fā)的這款3D生物打印機(jī)，兩個(gè)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(lán)光英諾開發(fā)的3D生物打印機(jī)全貌 

藍(lán)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(xì)胞，最后是成纖維細(xì)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(gè)細(xì)胞層的打印過程……當(dāng)環(huán)境溫度在0—4攝氏度之間時(shí)，就可以形成3D生物打印血管的雛形了；當(dāng)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(zhǔn)的、具有仿生功能的干細(xì)胞培養(yǎng)體系。它可以利用含種子細(xì)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(gè)不可否認(rèn)的事實(shí)就是：當(dāng)3D打印的器官放置于人體以后，如何與人體真正的細(xì)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?yàn)樗鼈兇蠖鄶?shù)都無法正常工作，或者僅僅只能存活幾天時(shí)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(rèn)為，3D生物打印一般分為四個(gè)層次：第一個(gè)層次是用普通的工程材料，打印出體外的個(gè)性化模型，方便醫(yī)生用于診斷、交流或者設(shè)計(jì)手術(shù)方案。第二個(gè)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(gè)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(xì)胞以后，進(jìn)行體外或者體內(nèi)的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)缺陷組織的再生和修復(fù)。第四個(gè)層次，是用活生生的細(xì)胞進(jìn)行三維打印，打印出模擬組織三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)或類組織。

從第一層到第四層，技術(shù)重點(diǎn)逐漸從對外型結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向?qū)?xì)胞自身行為的研究，要讓打印出來的細(xì)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(shí)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(zhǔn)的產(chǎn)品都用于批量生產(chǎn)，而生物3D打印做的是個(gè)性化產(chǎn)品，因此，對3D生物打印產(chǎn)品進(jìn)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(zhǔn)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?yàn)榧词故强雌饋砗唵蔚慕M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(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。

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(dòng)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，無數(shù)細(xì)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(xì)胞之間是如何傳遞的，盡管科學(xué)研究可以將細(xì)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(zhǔn)確地知道如何“啟動(dòng)”種子細(xì)胞，現(xiàn)有的3D生物打印只是剛剛開了個(gè)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)】