3D打印器官何時能成為現(xiàn)實？

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25年的經(jīng)驗,，是該領(lǐng)域公認的專家。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胞進行3D生物打印制造的,。



從想法的萌芽再到實際科學，3D 生物打印正在醫(yī)學研究的各個方面取得進展,，已經(jīng)不僅僅局限在研究中了,，還逐步邁向了時間。盡管步伐還十分緩慢,，距離一些最雄心勃勃的3D計劃的目標還有幾十年,，但這種進步是真真實實存在的。

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

3D生物打印的未來
這聽起來很夢幻,，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,。雖然尚未批準任何打印產(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)是第一個將活細胞植入人體的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)，豬的血液流動穩(wěn)定,。United Therapeutics Corporation 已經(jīng) 3D 打印了一個帶有 4,000 km的毛細血管和 2 億個肺泡（微小氣囊）的人肺支架，這些肺泡能夠在動物模型中進行氧氣交換,，標志著創(chuàng)造可耐受,、可移植的人肺邁出的關(guān)鍵一步,。

在維克森林大學再生醫(yī)學研究所,，科學家們開發(fā)了一種移動皮膚生物打印系統(tǒng),。在不久的將來，他們預計能夠?qū)⒋蛴�機直接用于患有未愈合傷口（例如燒傷）的患者身上,，通過掃描并測量傷口區(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),，證明可以在嚙齒動物中收縮，并在八周內(nèi)恢復腿前部肌肉先前失去的 80% 以上的肌肉功能,。

Dvir 自己的實驗室已經(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),，盡管放大的過程非常復雜,。

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,，但尚無批準供人類使用,。

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

斯坦福大學生物工程系助理教授 Mark Skylar-Scott 說：“將不同細胞類型放置在精確位置以構(gòu)建復雜組織的能力,，以及整合血管的能力,，這些血管可以輸送必要的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)以保持細胞存活，這兩種 (3D) 技術(shù)正在徹底改變組織工程,， 在過去的二十年里,，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胞化組織,，以及類似于具有集成心臟細胞的心臟組件的復雜3D模型,。 ”

在3D生物打印中,，使用的材料是細胞。該過程首先生成研究人員想要進行生物打印的細胞,，然后將細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,。斯坦福大學的實驗室正在研究，如果干細胞以高密度擠在一起,，如何自然地形成這種一致性,，如果這個問題得到了解決，那么3D打印器官可以完全由患者自己的細胞制成,。

實際的3D生物打印過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胞類型,，每種細胞類型都加載到不同的噴嘴中,。一旦完成，組織會連接到一個泵上,，驅(qū)動氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)通過它,，隨著時間的推移，組織會自行發(fā)育并增加成熟度和功能,。Bonilla 說：“與任何研究一樣，未來的患者可能會進行迭代,，以嘗試改進這項技術(shù),，我們不確定這何時會成為主要治療方法，但未來非常令人興奮,�,！�

3D打印的優(yōu)勢


△3D 生物打印使科學家能夠更精確地設(shè)計組織。

多年來,，維克森林大學的科學家一直在實驗室培育器官和組織,。他們使用 3D 打印在實驗室中創(chuàng)建了一個微型腎臟和一個微型肝臟。下一個挑戰(zhàn)：能夠更充分地模擬器官功能的更大,、更堅固的結(jié)構(gòu),。“我們遠未在器官規(guī)模上實現(xiàn)這一目標,，”哈佛大學 Wyss 生物啟發(fā)工程教授 Jennifer Lewis 說,。

維克森林研究所創(chuàng)始主任安東尼·阿塔拉 (Anthony Atala) 說：“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,，較大的實體器官是不同的,，血管分布和所需營養(yǎng)都是不同的,。”科學家們已經(jīng)能夠從干細胞中創(chuàng)造出心臟細胞,，但它的跳動強度不如人類的心臟細胞,。肝細胞（代謝）和腎細胞（濾液攝取）也是如此,。在某些方面,，3D生物打印領(lǐng)域正在等待基礎(chǔ)生物學家取得重大突破。

大多數(shù)研究人員認為全尺寸3D 打印人體器官移植可能會在20到30年之后實現(xiàn),。Dvir 說：”展望未來,，人類將不需要捐贈者的心臟或肝臟，這是我的看法,，我對3D打印器官持有樂觀的態(tài)度,，這是科學的發(fā)展趨勢�,！�