3D打印器官何時(shí)能成為現(xiàn)實(shí),？

2022年,，在得克薩斯州圣安東尼奧市,，Arturo Bonilla 博士為一名先天性無(wú)耳的20歲女性植入了外耳,。女人右側(cè)的耳朵是按照她左側(cè)的大小和形狀定制的,。 Bonilla是一名小兒畸形外科醫(yī)生,，治療先天性耳朵缺陷具有超過(guò)25年的經(jīng)驗(yàn),，是該領(lǐng)域公認(rèn)的專家。和以往的手術(shù)不同,，此次手術(shù)中他植入耳朵是使用女性自身軟骨細(xì)胞進(jìn)行3D生物打印制造的,。



從想法的萌芽再到實(shí)際科學(xué)，3D 生物打印正在醫(yī)學(xué)研究的各個(gè)方面取得進(jìn)展,，已經(jīng)不僅僅局限在研究中了,，還逐步邁向了時(shí)間。盡管步伐還十分緩慢,，距離一些最雄心勃勃的3D計(jì)劃的目標(biāo)還有幾十年,，但這種進(jìn)步是真真實(shí)實(shí)存在的。

以色列特拉維夫大學(xué)組織工程和再生醫(yī)學(xué)主任Tal Dvir說(shuō)：“我認(rèn)為在10年內(nèi)我們將擁有可移植的器官,，從簡(jiǎn)單的器官開始,，如皮膚和軟骨，然后轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的組織,，最終是心臟,、肝臟、腎臟,�,！�

3D生物打印的未來(lái)
這聽起來(lái)很夢(mèng)幻，但它已經(jīng)在發(fā)生了,。多層皮膚,、骨骼、肌肉結(jié)構(gòu)、 血管,、視網(wǎng)膜組織甚至微型器官都已被3D打印了出來(lái),。雖然尚未批準(zhǔn)任何打印產(chǎn)品供人類使用，但這些研究仍然令人嘆為觀止,。上文提到的Bonilla的耳朵手術(shù)是第一個(gè)將活細(xì)胞植入人體的3D生物打印,，具有里程碑式的意義。

波蘭的研究人員生物打印了胰腺的功能原型,，在觀察的兩周內(nèi),，豬的血液流動(dòng)穩(wěn)定。United Therapeutics Corporation 已經(jīng) 3D 打印了一個(gè)帶有 4,000 km的毛細(xì)血管和 2 億個(gè)肺泡（微小氣囊）的人肺支架,，這些肺泡能夠在動(dòng)物模型中進(jìn)行氧氣交換,，標(biāo)志著創(chuàng)造可耐受、可移植的人肺邁出的關(guān)鍵一步,。

在維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所,，科學(xué)家們開發(fā)了一種移動(dòng)皮膚生物打印系統(tǒng)。在不久的將來(lái),，他們預(yù)計(jì)能夠?qū)⒋蛴�機(jī)直接用于患有未愈合傷口（例如燒傷）的患者身上,，通過(guò)掃描并測(cè)量傷口區(qū)域和3D打印皮膚、層逐層制造直接涂抹于創(chuàng)面,。研究者們還更深入地研究了 3D 打印的骨骼肌結(jié)構(gòu),，證明可以在嚙齒動(dòng)物中收縮，并在八周內(nèi)恢復(fù)腿前部肌肉先前失去的 80% 以上的肌肉功能,。

Dvir 自己的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制作出一顆 3D 打印的“兔子大小”的心臟,，心臟包含了細(xì)胞、腔室,、主要血管和心跳,。教授指出，完整的人類心臟需要相同的基本技術(shù),，盡管放大的過(guò)程非常復(fù)雜,。

3D 生物打印的工作原理


△多層皮膚、骨骼,、肌肉結(jié)構(gòu),、血管、視網(wǎng)膜組織甚至微型器官都已被 3D 打印出來(lái),，但尚無(wú)批準(zhǔn)供人類使用,。

3D 打印人體器官是一個(gè)令人震驚的概念。根據(jù)聯(lián)邦衛(wèi)生資源和服務(wù)管理局的數(shù)據(jù),，目前有將近106,000 名美國(guó)人在器官捐贈(zèng)的等待名單上,，每天有 17 人在等待期間死亡,。使用患者自身細(xì)胞培養(yǎng)器官的 3D 打印過(guò)程不僅可能會(huì)減少等待名單，而且會(huì)大大降低器官排斥的幾率,，并可能消除對(duì)有害的終生免疫抑制藥物的需求。

斯坦福大學(xué)生物工程系助理教授 Mark Skylar-Scott 說(shuō)：“將不同細(xì)胞類型放置在精確位置以構(gòu)建復(fù)雜組織的能力,，以及整合血管的能力,，這些血管可以輸送必要的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以保持細(xì)胞存活，這兩種 (3D) 技術(shù)正在徹底改變組織工程,， 在過(guò)去的二十年里,，該領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，從打印的膀胱到現(xiàn)在具有可以連接到泵的血管的高度細(xì)胞化組織,，以及類似于具有集成心臟細(xì)胞的心臟組件的復(fù)雜3D模型,。 ”

在3D生物打印中，使用的材料是細(xì)胞,。該過(guò)程首先生成研究人員想要進(jìn)行生物打印的細(xì)胞,，然后將細(xì)胞制成可打印的活墨水或生物墨水，包括將它們與明膠或藻酸鹽等材料混合,，使它們具有牙膏般的稠度,。斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室正在研究，如果干細(xì)胞以高密度擠在一起,，如何自然地形成這種一致性,，如果這個(gè)問(wèn)題得到了解決，那么3D打印器官可以完全由患者自己的細(xì)胞制成,。

實(shí)際的3D生物打印過(guò)程就是生物墨水被裝入注射器中,，然后從噴嘴中擠出，它通常涉及放置不同的細(xì)胞類型,，每種細(xì)胞類型都加載到不同的噴嘴中,。一旦完成，組織會(huì)連接到一個(gè)泵上,，驅(qū)動(dòng)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)它,，隨著時(shí)間的推移，組織會(huì)自行發(fā)育并增加成熟度和功能,。Bonilla 說(shuō)：“與任何研究一樣,，未來(lái)的患者可能會(huì)進(jìn)行迭代，以嘗試改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù),，我們不確定這何時(shí)會(huì)成為主要治療方法,，但未來(lái)非常令人興奮�,！�

3D打印的優(yōu)勢(shì)


△3D 生物打印使科學(xué)家能夠更精確地設(shè)計(jì)組織,。

多年來(lái),，維克森林大學(xué)的科學(xué)家一直在實(shí)驗(yàn)室培育器官和組織。他們使用 3D 打印在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建了一個(gè)微型腎臟和一個(gè)微型肝臟,。下一個(gè)挑戰(zhàn)：能夠更充分地模擬器官功能的更大,、更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)�,！拔覀冞h(yuǎn)未在器官規(guī)模上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，”哈佛大學(xué) Wyss 生物啟發(fā)工程教授 Jennifer Lewis 說(shuō)。

維克森林研究所創(chuàng)始主任安東尼·阿塔拉 (Anthony Atala) 說(shuō)：“我們已經(jīng)能夠打印出皮膚等扁平結(jié)構(gòu),、血管等管狀結(jié)構(gòu)或膀胱等中空非管狀器官,，較大的實(shí)體器官是不同的，血管分布和所需營(yíng)養(yǎng)都是不同的,�,！笨茖W(xué)家們已經(jīng)能夠從干細(xì)胞中創(chuàng)造出心臟細(xì)胞，但它的跳動(dòng)強(qiáng)度不如人類的心臟細(xì)胞,。肝細(xì)胞（代謝）和腎細(xì)胞（濾液攝�,。┮彩侨绱恕Ｔ谀承┓矫�,，3D生物打印領(lǐng)域正在等待基礎(chǔ)生物學(xué)家取得重大突破,。

大多數(shù)研究人員認(rèn)為全尺寸3D 打印人體器官移植可能會(huì)在20到30年之后實(shí)現(xiàn)。Dvir 說(shuō)：”展望未來(lái),，人類將不需要捐贈(zèng)者的心臟或肝臟,，這是我的看法，我對(duì)3D打印器官持有樂(lè)觀的態(tài)度,，這是科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì),。“