生物3D打印會掀起一場醫(yī)療領(lǐng)域顛覆性革命嗎？

毫無疑問，3D打印技術(shù)作為一項劃時代的發(fā)明，正在潛移默化地改變整個世界。而作為跨界領(lǐng)跑者，它成功引起了醫(yī)療領(lǐng)域科研巨頭的注意,，眾多科研者也對此技術(shù)情有獨鐘。從3D打印器官,、假肢,，再到與人類健康息息相關(guān)的藥物打印，無不標(biāo)志著未來醫(yī)療發(fā)展的新方向,。生物3D打印有以下主要研究領(lǐng)域：皮膚,、骨組織、血管,、器官（比如心臟,，腎臟，胎盤,，卵巢等等）,、藥物和營養(yǎng)物控釋。南極熊之前詳細(xì)解讀過：【解讀】3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D生物打印的實質(zhì)
與傳統(tǒng)的減材制造工藝不同,，3D打印作為新興的一種快速成型技術(shù),，以數(shù)據(jù)設(shè)計文件為基礎(chǔ)，將材料逐層沉積或黏合以構(gòu)造成三維物體的技術(shù),。起初該技術(shù)只是被用于快速制造工業(yè)部件,，而當(dāng)其遇到了生物學(xué)則勢必會碰出新的火花,，3D生物打印就此應(yīng)運而生,。

因而，在3D生物打印過程中，研究者會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(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,。

換言之，3D生物打印所使用的原料是生物墨水,，而非傳統(tǒng)的塑料材料,。研究者會從人體骨髓或脂肪中提取的干細(xì)胞，再以生物化學(xué)手段將其“改造”（分化）為不同類型的其他細(xì)胞后,，封存為“墨粉”,。

當(dāng)啟動3D生物打印機時，電腦建模程序會設(shè)計出需要打印的器官剖面圖,，來精準(zhǔn)指導(dǎo)隨后的打印過程,；而后“墨粉”將通過打印頭聚攏在事先設(shè)計好的生活相容性材料上，按照一定的圖案來逐漸形成打印器官的雛形,，構(gòu)建活體組織,。

眾所周知，細(xì)胞素來嬌貴,，對生長環(huán)境條件要求苛刻,，非無菌條件不住,；環(huán)境的溫度,、濕度稍不滿足其心意，就會鬧脾氣（生長不良）,、甚至以死相脅,。為此，3D生物打印機需被置于生物安全柜中進行無菌操作,，同時須確保適宜的溫度和濕度以避免細(xì)胞死亡,。

考慮到構(gòu)成人體不同組織的每個細(xì)胞類型都需要一個獨特的機械環(huán)境，即需要通過獨特的結(jié)構(gòu)支撐來正常運轉(zhuǎn)其功能,，比如骨骼是一種具有抵抗力和脆性的物質(zhì),，心臟的肌肉是有彈性的、堅韌的組織,，而像肝臟這樣的內(nèi)部器官是柔軟的和可壓縮的�,，F(xiàn)階段很多研究者都致力于找到一種可在3D打印機操作的生物相容性材料，使其對細(xì)胞造成的傷害降到最小,。

最新的研究表明,，從海藻中提取的新材料可在不同的環(huán)境中對人體干細(xì)胞進行3D生物打印,，而且不會對細(xì)胞造成損害，為復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的打印鋪平了道路,。

3D打印器官帶來的希望與挑戰(zhàn)

雖然現(xiàn)有的3D生物打印技術(shù)的研究還處于早期階段,，但是其發(fā)展前景已經(jīng)備受大家矚目，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域,，該技術(shù)甚至有望徹底改變臨床器官移植的情況,。

長久以來，很多患者等待著可與其相匹配的捐獻器官,，而由于器官移植需求與可供移植器官之間存在著巨大的缺口,，使得很多病人最后只能在漫長而無望的等待中走向死亡。3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn),，則為這些病人帶來了巨大的希望,。澳大利亞每年有1500名接受器官移植的患者希望通過3D打印生物組織來替代器官移植，為他們提供一個新的解決方案,。

盡管目前為止生物3D打印技術(shù)已實現(xiàn)了體外手術(shù)模型和人體類器官的打印,，但是卻還沒有發(fā)展到可以替代人源器官的程度。而且是即便人體類組織,，也只是組織結(jié)構(gòu)相似,，而不具備組織的功能。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,。

而3D打印活體器官之所以最具有挑戰(zhàn)性，是因為從技術(shù)層面來說,，至少需要克服三個挑戰(zhàn)：1,、需要解決打印過程中細(xì)胞能否存活、能否發(fā)育,、能否變異甚至腫瘤化的問題,。2、3D生物打印機必須滿足生物仿生對制造精度,、準(zhǔn)確性的極高要求,。3、組織及器官是由多材料及多細(xì)胞組成的非均質(zhì)體系,，對制造學(xué)要求也極高,。

目前,，科研人員正在加緊攻克這些技術(shù)難題。一些如皮膚等相對簡單組織的打印過程已經(jīng)有所進展,，該技術(shù)的下一階段就需要與神經(jīng)、血管和淋巴管進行整合,，以便與宿主系統(tǒng)結(jié)合,，為后續(xù)創(chuàng)造出移植器官，如腎臟,、肺,、心臟或肝臟打下基礎(chǔ)。

雖然3D打印技術(shù)在實驗室里已取得了相應(yīng)成功,，但這并不意味很快就能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,，因為打印出的組織在確保其安全性、有效性之前,，還需要大量的實驗驗證,，據(jù)估算，一個用于組織修復(fù)的3D打印產(chǎn)品從研發(fā)到上市,，大致需要5年到6年時間,。

3D生物打印在新藥測試中大顯身手
眾所周知，凡是新藥研發(fā),，若不經(jīng)過九九八十一難,，是很難真正走向上市之路的。目前若只以現(xiàn)有的方法將新藥從最初的實驗室研究推向市場,，不僅要耗時十多年之久,，還需要花費將近25億美元。

有時即便研發(fā)過程中已經(jīng)確定了新的候選藥物,，但是該藥物能獲得監(jiān)管部部門批準(zhǔn)的可能性也是非常低的,，以2016年為例，獲得批準(zhǔn)的藥物還不到10%,。甚至新藥都已經(jīng)走向人類臨床試驗了,，根據(jù)藥物分子的類型、試驗參與者的疾病癥狀以及死亡情況,，其上市可能性也只處于10％至15％之間,。

而這些藥物上市失敗的主要原因在于對人類的藥效較差，盡管它們在動物實驗上療效奇佳,。動物實驗與臨床試驗之所以脫節(jié)是因為物種之間存在不同生理學(xué)：嚙齒動物和其他試驗動物在許多關(guān)鍵方面與人類相較而言是非常不同的,。
而3D打印技術(shù)可打印出肝臟、腎臟或心臟肌肉等更為復(fù)雜的3D模型,，更適合于用于新藥測試和識別,。目前很多跨國制藥公司已經(jīng)將該模式用于新藥研發(fā)過程中,。

雖然研究中動物模型必不可少，但是美國FDA以及其新任主管已經(jīng)開始考慮整合藥物安全和功效評估的替代品,。目前將生物打印組織用于藥物研發(fā)已經(jīng)得到科研者的廣泛承認(rèn),，并獲得了澳大利亞的基金申請機構(gòu)和全球資助項目的基金支持。

3D打印,，動物實驗的終結(jié)者,？

2013，歐洲聯(lián)盟通過了一項新的法律,，禁止在其領(lǐng)土內(nèi)通過動物來測試化妝品的效果,，以及禁止使用國外一些以動物試驗為檢測基準(zhǔn)的零售化妝產(chǎn)品。

而這項法律法規(guī)無疑加速了基于人體的3D皮膚模型的開發(fā),，該模型可用于測試新的化妝品配方,。由此可見，3D打印技術(shù)的可行性以及該技術(shù)對實驗動物數(shù)量的減少,，成為了這項法規(guī)通過的重要原因,。而類似法規(guī)在澳大利亞也是適用的。

總之,，其他行業(yè)的這種顯著變化,，再加上科學(xué)技術(shù)的日新月異的進步，使得3D生物打印技術(shù)自然而然地成為檢測出有效新藥的一種更快更廉價的方法,。

來源：解螺旋
延伸閱讀：
【解讀】3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用