深度揭秘3D生物打印：一场医疗界的惊天大革命

     当3D打印技术最初问世的时候，人们对它的期许更多在工业生产领域。而现在，随着技术的不断突破，它开始在生物医疗领域显现出更高的利用价值。

    近年来，世界范围的顶尖科研团队先后利用3D生物打印技术开始进行人类肝脏、脊椎、心脏等器官的移植尝试。有观点认为，3D打印是解决健康产业个性化需求和规模化制造二者矛盾的方案之一。3D生物打印在提升现有医疗技术水平，比如个性化医疗方面，会大有作为。实际上，国务院发布的《中国制造2025》也明确指出，实现生物3D打印，诱导多能干细胞等新技术的突破和应用。

    用机器打印活生生的器官，看上去匪夷所思的技术到底有多“神秘”？3D生物打印机如何工作呢？

    概念提出：

    为解决移植器官来源有限的问题

    3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题，因为在现有的医疗手段中，一个器官的获取要以另一个人器官的失去为前提，而主动或被动失去的器官数量又远远少于需要的器官。

    例如，中国每年需要肝脏移植的终末期肝病患者有一百万左右，其中只有三到四千人接受了移植手术；而每年需要透析的十二万例病人中只有二十分之一可以找到肾源。因此，研究者们开发了很多替代方案，如使用动物来源的器官或人工制造的器官等。

    3D生物打印机的出现，有可能解决这方面的问题，从而延续病人的生命，提高他们的生活质量。

    打印原理：

    人体细胞作为生物墨水

    3D生物打印机需要人体细胞作为生物墨水，首先，研究者将从人们的骨髓或脂肪中提取出干细胞，通过生物化学手段，使它们分化成不同类型的其他细胞。随后，这些细胞将被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含1万到3万个细胞。当3D生物打印机开动时，“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上，打印器官的雏形便逐渐显现。

    据清华大学生物制造中心副主任林峰介绍，根据打印材料、生物学性能和应用情况，生物3D打印包括四个层次。

    “第一个层次是用普通的工程材料，打印出体外的个性化模型，给医生用于诊断、交流或设计手术治疗方案。”林峰拿起一个浅黄色的下颌骨模型指点着说，“这是一位病人的下颌骨。如果医生要在这里打个钉子，就可以根据病人的CT图像在计算机中重建出病人的下颌骨模型并打印出来，医生还可以在模型上规划好打孔的位置、角度和深度，设计出能够辅助手术的导板，再利用三维打印制作出导板，用于手术过程中，从而提高手术的正确性。”

    第二个层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身体里的植入器件，替代受损部位。“比方说根据病人这侧耳朵建立一个耳朵数字模型，用聚氨酯弹性体三维打印出另一侧的耳朵模型，然后植入病人的皮下进行缝合。”

    第三个层次用的是可降解材料，为组织再生打印出含有丰富孔隙的支架，接种细胞后，进行体外或体内的培养，以实现缺损组织的再生和修复。

    第四个层次与前三个层次不同，是用活生生的细胞进行三维打印，打印出模拟组织三维结构的细胞三维结构或类组织。

    全球首台3D生物血管打印机

    2分钟能打出10厘米长的“血管”

    近日，一家中国企业在全球3D生物打印领域崭露头角。10月份该企业宣布旗下具有完全自主知识产权且列入“国家高技术研究发展计划（863计划）”的3D生物打印血管项目获得重大突破，全球首创3D生物血管打印机成功问世。

    在这里我们首先要明确实现3D生物打印的关键点和难点在哪里？3D生物打印，截然不同于工业3D打印，两者根本性的区别在于活性。即3D生物打印是打印出含有细胞成分并具有生物学活性的产品。据介绍，3D生物打印的核心技术是生物砖（Biosynsphere），即一种新型的精准的具有仿生功能的干细胞培养体系。它是以含种子细胞（干细胞、已分化细胞等）、生长因子和营养成分等组成的“生物墨汁”，结合其他材料层层打印出产品，经打印后培育处理，形成有生理功能的组织结构。

    该企业在攻克“生物砖”技术的难关后，依靠云平台的数据模型支撑，该公司用3D生物血管打印机成功地实现了血管再生。据了解，该款血管打印机仅用2分钟便能打出10厘米长的血管。“3D生物打印血管这项发明的突破性意义在于，利用干细胞为核心的3D生物打印技术体系已经完备。其中包括医疗影像云平台、生物墨汁、3D生物打印机和打印后处理系统四大核心技术体系。有了这套技术体系，使得器官再造在未来成为可能。”发布会上，该企业负责人介绍。

    据悉，3D生物血管打印机可以打印出血管独有的中空结构和多层不同种类细胞，这在全球也是首创。

    发展前景

    将给医疗界带来一场革命

    第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来，2010年被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一，但是该项技术还只是处于开发的初级阶段。

    即便现在3D生物打印机的研究还处于早期研发阶段，但其发展前景为大家所期待。据Invetech和Organovo两家公司宣称，3D生物打印技术将在五年内实现对功能性大血管的打印，十年内实现心脏或肝脏等器官的打印。由此可见，3D打印技术的成果必将给医疗界带来一场革命。

    美国北卡罗来纳州WakeForest大学AnthonyAtala等人使用复合细胞的水凝胶材料，逐层打印，构建出类似肾脏的结构。而耶鲁大学的科学家们已经使用动物细胞制备出了鼠的肺部组织，可以被植入啮齿动物体内，并在一定时间内发挥功效。东京大学医院的TsuyoshiTakato等将人造蛋白质材料通过3D打印技术制备骨或软骨，从而治疗具有相应疾病的儿童。

    如今，在3D生物打印领域取得了大量的科研突破，这些突破将使得我们在未来数年内实现3D打印器官和组织的前景越来越清晰，从而最终取代人体器官移植的应用。同时，3D生物打印技术也将被用于制药、美容、食品、服装等多个领域，彻底改变我们的生活。例如，未来的病人可以在自己家中利用标准化学品构建模块，打印纳米药品，而他日常所吃的食物也来源于凝胶、明胶材料与脂肪等食品添加剂的混合打印，所穿的衣服则来自网络下载模板后的量体打印。