打印“自己”：3D打印“照亮”器官移植的未來

2012年的2月,，密歇根大學(xué)附屬C.S.莫特兒童醫(yī)院的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)為一個三個月大的男嬰進(jìn)行了一次不尋常的手術(shù),。這個男嬰患有先天“氣管支氣管軟化”,，這是一種非常罕見的病癥：這個男嬰氣管的一部分組織缺乏應(yīng)有的軟骨硬度和支撐力,，從而會不斷造成管腔不同程度的塌陷,。這就使得他無法進(jìn)行正常呼吸，還會引起附近血管（包括主動脈）阻塞,，從而引發(fā)心肺驟停,。該男嬰當(dāng)時僅能依靠呼吸器來存活，而醫(yī)療團(tuán)隊(duì)也在絞盡腦汁想辦法來拯救這個可憐的嬰兒,。他脆弱的氣管組織需要被修復(fù)或者替換,，但手術(shù)風(fēng)險太大，更何況對象還是這么小的一個孩子,。醫(yī)療團(tuán)隊(duì)咨詢了這個男嬰在俄亥俄州阿克倫兒童醫(yī)院的主治醫(yī)生,，然后很快做出了用3D打印氣管換掉故障氣管的決定。

走進(jìn)最真實(shí)的3D打印技術(shù)

顧名思義,，3D打印機(jī)肯定不是用油墨在平坦的紙張上打印內(nèi)容,，而是在三維空間內(nèi)逐層打印出立體的東西。它使用的油墨是由基板和具體的物質(zhì)構(gòu)成的,。19世紀(jì)80年代,，世界上第一臺3D打印機(jī)誕生，它是由美國工程師Charles Hull發(fā)明的,。3D打印機(jī)里的“油墨”是一種丙烯酸溶液,。當(dāng)它接收到激光束中的紫外線的照射，這種溶液就會凝結(jié)成固體,。許多汽車,、飛機(jī)的制造商都會在電腦上設(shè)計出復(fù)雜的零件設(shè)計圖，然后通過3D打印機(jī)將零件原型打印出來進(jìn)行生產(chǎn),。而如今,，這種現(xiàn)象已經(jīng)非常普遍了。隨著科技的進(jìn)步,，3D打印機(jī)也就變得沒有那么獨(dú)特了,，自然它也就變得廉價和無處不在。Staples和亞馬遜都提供3D打印服務(wù),。螺母,、螺栓、耳機(jī),、眼鏡,、運(yùn)動鞋、珠寶,、骨灰盒,，甚至是“星球大戰(zhàn)”的模型、建筑物模型以及整棟房屋,，這些都能通過3D打印機(jī)打印出來,。在美國,，3D打印技術(shù)引發(fā)了人們的爭論。爭論的焦點(diǎn)在于是否應(yīng)該允許公民使用3D打印技術(shù)來打印槍械,，要知道現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)�,，F(xiàn)在3D打印機(jī)使用的打印材料可以是塑料、金,、銀,、其它金屬、陶瓷,、蠟甚至是食物,。（美國國家航空航天局正致力于開發(fā)一款可以在失重狀態(tài)下運(yùn)行的3D打印機(jī)，通過這款3D打印機(jī)來為宇航員們制作披薩,。）有興趣的人只要支付一小筆費(fèi)用,，上傳一張自己的照片，你就可以3D打印出自己的頭像玩偶,。

密歇根大學(xué)的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)在此之前曾經(jīng)處理過類似的病例,。研究人員首先用CT掃描了男嬰的胸腔部位，然后制作出需要修復(fù)的氣管的三維圖像模型,�,；�于這個模型，研究人員設(shè)計并打印出了一塊小夾板,。這塊夾板是用具有生物相容性的材料制作而成的小軟管,，用來加固男嬰脆弱的氣管，同時保持氣管暢通,。夾板堅固且柔軟,，還會隨著男孩的成長而變大。研究人員將其比作為“真空吸塵器中的軟管”,。此外,，這塊夾板需要在男嬰胸腔內(nèi)呆三年左右，直到破損的氣管痊愈,。當(dāng)男嬰的氣管痊愈后，夾板便會在其體內(nèi)溶解掉,，也不會造成任何傷害,。在夾板植入三周后，這個男嬰已經(jīng)脫離了呼吸器并且安全回到了家中,。2013年5月,，據(jù)《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》報道，男嬰已在如常人般長大,，也沒有任何之前預(yù)見的癥狀發(fā)生,。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正變得越來越普遍,。幾乎每一天，我都能接收到一封來自我所在醫(yī)院的新聞辦公室的電子郵件：我的某一位同事在進(jìn)行真正的手術(shù)前成功利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個精密的醫(yī)用模型,，比如說某個病人的二尖瓣,、手指或者是視覺神經(jīng)。外科醫(yī)生如今可以將3D技術(shù)打印出來的移植片固定模,、假肢或者是人顱骨中的一部分植入病人體內(nèi),。3D打印技術(shù)的倡導(dǎo)者認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)能讓制造業(yè)變得更加民主,，我們可打印的東西也變得越來越私人和私密,。不管你相信與否，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，我們正在用3D打印技術(shù),，“打印”自己。

去年六月份,，我參加了科羅拉多州的阿彭斯思想節(jié),，在那里醫(yī)療健康領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)引發(fā)了一番熱議。首先發(fā)言的是一個高大,、蓄有胡須的男士,，他是3D Systems公司的工業(yè)設(shè)計師Scott Summit。這家公司的創(chuàng)始人是3D技術(shù)發(fā)明家Charles Hull,，后來這家公司發(fā)展成為世界領(lǐng)先的3D打印技術(shù)與服務(wù)的供應(yīng)商,。3D Systems設(shè)計出了一款非常流行的產(chǎn)品——Invisalign。這是一個3D打印金屬矯正牙套,，治療過程首先要對病人的咬痕進(jìn)行掃描,，然后才能決定應(yīng)該如何對牙齒進(jìn)行矯正。Invisalign牙套看起來就像是一個透明的塑料嘴巴防護(hù)層,，每一個牙套都是利用3D打印技術(shù)為病患量身定做,。3D System會根據(jù)病患牙齒的恢復(fù)情況定期對牙套進(jìn)行調(diào)整或打印出一個新的牙套，直到病患的牙齒問題被徹底解決,。

如今,，3D System正穩(wěn)步進(jìn)軍醫(yī)療市場。幾個月前,，該公司和奧克蘭兒童醫(yī)院的研究人員合作進(jìn)行了一項(xiàng)測試,，用3D打印機(jī)打印出“脊椎”，以便幫助那些在成長過程中脊椎彎曲的年輕人,。不過為了修復(fù)彎曲的脊椎,，佩戴者必須每時每刻佩戴著這款產(chǎn)品，但是顯然多數(shù)孩子都不能做到這一點(diǎn),。Summit在電話中告訴我：“如果你仔細(xì)觀察3D打印出來的脊椎,，你會發(fā)現(xiàn)它在擠壓著佩戴者的身體,。如果在夏天佩戴這款產(chǎn)品，使用的尼龍搭扣帶會讓佩戴者感覺非常熱,。大部分青少年都不愿意在走路的時候佩戴這款產(chǎn)品,。”這一點(diǎn)我還是感同身受的,。幾年前,，我曾經(jīng)做過一次脊椎分離手術(shù)，術(shù)后幾個月我一直使用類似的支架,，戴著那東西走路實(shí)在是種折磨——這種支架會讓人感到極其不舒服,，還沒有辦法把它遮擋起來�,！比欢鳶ummit設(shè)計的新支架看起來卻像是一個為患者量身定做的蕾絲坎肩,。事實(shí)上，3D System的3D打印脊椎是由精細(xì)研磨的尼龍粉末制成,，既輕便又透氣,，加上是根據(jù)佩戴者的身體和醫(yī)療需求來量身定制的，因此穿上它就像穿衣服一樣不會有任何不舒服的感覺,。該公司先后在22個女孩間進(jìn)行測試,，他們都希望盡快讓這款產(chǎn)品得到更廣泛的應(yīng)用。

在阿彭斯思想節(jié)上,，Summit登臺時身邊還有一位46歲的女士,，這位名叫Amanda Boxtel的女士原先需要依靠輪椅才能行走，然而今天她卻是走上了舞臺,。究竟是什么讓她重新站起來走路的呢,？事實(shí)上，在1992年,，一場滑雪事故讓Amanda失去了她的雙腿,。但是困難并沒有就這樣打敗她，她如今是Bridging Bionics公司的主管（這是一家致力于幫助癱瘓人士恢復(fù)行走能力的基金會）,。2013年,，3D Systems的研究人員找到了Amanda。他們先用儀器掃描了她的下半身的身體輪廓,，然后用柔軟的尼龍纖維為她“量身打印”出她的軀干,、小腿和大腿。隨后,，研究人員將3D打印四肢裝到了Ekso Bionics公司現(xiàn)有的一套電動護(hù)腿與手部控制儀上。就這樣,，一套定制的人類“下半身”誕生了,。當(dāng)Amanda穿上了它,，開始練習(xí)慢慢行走——就是這樣，她在阿彭斯思想節(jié)上走上了舞臺,。Summit在采訪中表示：“其實(shí)還有一些摩托化機(jī)動輔助器材,，但是它們都不是為使用者量身定做的。如果這些設(shè)施對佩戴者的臀部還有腿部產(chǎn)生壓力,，佩戴者就會存在擦傷或是感染的風(fēng)險,。” Boxtel后來也在采訪中表示：“我很喜歡我的這雙機(jī)械腿因?yàn)樗�是根�?jù)我的身體而制作的,，也是為了我能行走而制作的,。但是我還想讓它能成為我時尚又性感的‘跑車’——穿上它我可以快步行走�,！奔夹g(shù)還在不斷進(jìn)步,，希望有朝一日Boxtel能實(shí)現(xiàn)她的夢想。

3D打印植入人體

在此之前,，3D打印醫(yī)療設(shè)備多被用來從外界支撐使用者的身體,。但最近，3D打印物體也逐漸開始使用于人體內(nèi)部,。3D Systems將自己的打印技術(shù)提供給制作定制膝關(guān)節(jié)植入體的Conformis公司,，這家公司每年要打印1000多個為顧客量身定做的膝關(guān)節(jié)植物體。（盡管市場對于這種訂做的膝關(guān)節(jié)的需求在不斷上升,，但是這類訂做的膝關(guān)節(jié)和普通的膝關(guān)節(jié)植入體究竟誰更勝一籌,，這個答案仍是懸而未決。）今年早些時候,，威爾士的外科醫(yī)生,，利用該技術(shù)為一位名叫Stephen Power 的29歲男子重塑了面部骨骼。Power在一起摩托車事故中發(fā)生了意外,，他的左臉頰,、眼窩、上顎,、頭骨均發(fā)生了脫落,。通過掃描Power “幸存”的骨骼，醫(yī)療小組制作出了他整個面部的3D結(jié)構(gòu)圖,，然后打印出鈦材料制作的假體,，并成功植入Power的頭部和臉部。

最近,，我同Bronx蒙特斐奧醫(yī)療中心的Oren Tepper博士進(jìn)行了交談,，他是這家醫(yī)院的顱面手術(shù)的負(fù)責(zé)人。Oren Tepper博士在他的實(shí)踐中開創(chuàng)了3D打印技術(shù)的新使用方式,。2012年,，他接手了一個名叫Jayla的女嬰,。這個女嬰先天下巴殘缺，從而使得她經(jīng)常性呼吸困難,。診斷過后醫(yī)生就會為她進(jìn)行氣管切開術(shù),。通常來說，醫(yī)院會為這種患者進(jìn)行頜骨重建,，但這種骨移植手術(shù)風(fēng)險太大,，以Jayla當(dāng)時的年齡來說并不適合。

然而,，Tepper卻不贊成為Jayla進(jìn)行氣管切開術(shù),。他為Jayla做了腦部掃描，根據(jù)掃描得到的信息用3D打印機(jī)為她打印出了理想的下顎模型,。Oren Tepper博士并沒有打算用這個模型來替換Jayla的下顎,，相反，他打算改變Jayla的下顎形狀,，使其與模型匹配,。然后，Oren Tepper博士打印出適合Jayla下巴的三維模具,。模具上有狹縫和空洞,，讓他能在不損害Jayla面部神經(jīng)的前提下植入下顎模型。最后,，他給Jayla的下巴裝了個棘輪,。每天，Oren Tepper博士會將Jayla的下巴向前“拖拽”一毫米,，以促進(jìn)其骨細(xì)胞生長,，然后填滿整個拉伸的區(qū)域。幾周后,，整個醫(yī)療過程結(jié)束了,，Jayla的下巴已經(jīng)長得和同齡人無異了。如今,，Oren Tepper博士每年都要治療兩至三個有類似殘疾的孩子,。

Oren Tepper博士在采訪中告訴我說：“我也是從年輕一代成長起來的，年輕人對于新技術(shù)還是很適應(yīng)的,。當(dāng)然你也可以嘗試去做一個不含虛擬模具與3D打印技術(shù)的相當(dāng)復(fù)雜的外科手術(shù),，不過那樣的話，手術(shù)風(fēng)險會大很多,，失敗的幾率也大得多”,。

3D打印細(xì)胞和器官

未來，3D打印技術(shù)還將給醫(yī)學(xué)界的發(fā)展帶來更大的飛躍。這些年來,，研究人員一直想方設(shè)法試圖在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計制造出人體的腎臟,，肝臟以及其他器官和細(xì)胞組織。如果這個想法成功了,，那么需要接受移植手術(shù)的病患就無需浪費(fèi)大量時間來尋找捐獻(xiàn)者了。但是,，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行細(xì)胞組織培養(yǎng)可以說是一件十分困難的事情,。好在我們現(xiàn)在可以利用細(xì)胞作為“油墨”的3D打印，這就讓我們看見了新的希望,。19世紀(jì)90年代初,，維克森林再生研究所所長Anthony Atala，開始在他的實(shí)驗(yàn)室中的可降解支架上培養(yǎng)人體的膀胱細(xì)胞,。他培養(yǎng)的細(xì)胞呈袋狀,，之后他將這種帶狀細(xì)胞成功植入了7名膀胱功能較差的孩子體內(nèi)并且大大改善了他們的身體情況。此后,，醫(yī)學(xué)界都開始把精力投入到了3D打印醫(yī)療技術(shù)的應(yīng)用中,，各類再造人體器官的成功案例比比皆是。其實(shí)在此之前,，許多項(xiàng)目也經(jīng)常利用3D技術(shù)打印出聚合物支架上的氣管細(xì)胞,、心肌細(xì)胞或是腎細(xì)胞，但始終未能使其成長為成熟器官,。目前科學(xué)家們都在實(shí)驗(yàn)室里齊心協(xié)力培養(yǎng)人造器官,，相信不久之后問題的關(guān)鍵已不再是他們能否成功，而是如何成功,。

世界上第一款顯微鏡于16世紀(jì)正式誕生,，時間就和望遠(yuǎn)鏡的產(chǎn)生差不多。這兩者帶來了兩個全新領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)——望遠(yuǎn)鏡讓我們明白了這個世界是由宇宙天體而構(gòu)成的,，而且天體之間的距離很遠(yuǎn),；而顯微鏡則讓我們看到了人體內(nèi)部細(xì)微的有機(jī)組織還有細(xì)胞。然而讓天文學(xué)家從三維角度理解宇宙發(fā)展很容易,，讓細(xì)胞生物學(xué)家從三維角度理解微觀世界卻很難,，因?yàn)槿祟悓τ谖⒂^世界的理解一直停留在二維水平。而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因部分在于顯微鏡下的標(biāo)本必須被放在細(xì)薄的載玻片上,，這樣上方或者下方的光線就可以照亮它,，這就是在二維條件下進(jìn)行觀察。因此,，即便擁有先進(jìn)的電腦軟件技術(shù),，生物學(xué)家也很難從三維立體角度理解組織和器官的相互聯(lián)系，更不用說將它們重建出來了。

例如,，我曾經(jīng)在我的實(shí)驗(yàn)室里研究排列在人類靜脈,、動脈和毛細(xì)血管內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞。當(dāng)這些細(xì)胞被移出體外,，它們就會迅速死亡,。實(shí)驗(yàn)室里必須有特殊的設(shè)備，才能維持內(nèi)皮細(xì)胞的存活和生長,。首先我要將內(nèi)皮細(xì)胞放在涂有凝膠混合膠原蛋白和其他蛋白質(zhì)的塑料盤上,，然后將塑料盤放在孵化器內(nèi)。孵化器需要維持一定溫度,，還得輸入適量的氮,、二氧化碳和水蒸汽。在這樣的環(huán)境條件下,，內(nèi)皮細(xì)胞能存活數(shù)周,。然而我卻也無法控制內(nèi)皮細(xì)胞自組膠原基質(zhì)。之前我在孵化器中放置了一盤肉皮細(xì)胞,，幾天后我驚訝的發(fā)現(xiàn)這個孵化器變成了一個流動的血管,。

這樣看來，再怎么強(qiáng)調(diào)這種結(jié)構(gòu)對于生物系統(tǒng)功能正常運(yùn)行的重要性也不為過了,。

鐮形細(xì)胞性貧血就是由單一的形狀改變基因突變引起,。正常蛋白質(zhì)的基因代碼稱為“球蛋白”，這將會幫助紅血球?qū)⒀鯕廨斔偷饺梭w組織中,。然而當(dāng)基因發(fā)生突變,，球蛋白就會發(fā)生崩潰，甚至可以堵塞血管,。直到最近,，阿茲海默癥（老年癡呆癥）的研究人員也未發(fā)現(xiàn)腦細(xì)胞如何自發(fā)使淀粉樣蛋白質(zhì)異常，從而引起老年癡呆癥的真相,。神經(jīng)元在培養(yǎng)皿中的表現(xiàn)和在人類大腦中完全不同,。但是在十月份，《自然》報刊上的一篇文章表示：馬薩諸塞州總醫(yī)院的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功在凝膠骨架中培養(yǎng)出了神經(jīng)元,，這樣細(xì)胞就可以在三維空間里相互交流,。他們由此預(yù)見到了一場研究阿茲海默癥的熱潮——在未來，會有越來越多的實(shí)驗(yàn)室研究人員來研究阿茲海默癥,。

與此同時,，設(shè)計制造組織和器官的醫(yī)療實(shí)踐也受到二維空間的重重阻礙。萊斯大學(xué)的生物工程師Jordan Miller在采訪中指出：“成功的再造器官至少由數(shù)十億,、不同類型的活細(xì)胞構(gòu)成,。增加組織構(gòu)造的任務(wù)乃是重中之重,。” Miller還在PLOS Biology期刊上發(fā)表了一篇標(biāo)題為“十億細(xì)胞建造:3D打印技術(shù)能夠帶我們實(shí)現(xiàn)這一夢想嗎?”的文章,。一個培養(yǎng)皿甚至幾個培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的組織細(xì)胞遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，這些人造細(xì)胞需要能夠進(jìn)行營養(yǎng)、成長元素以及其他信息的交流,。

Miller在文章中這樣寫道：“專家們都還在為了數(shù)字而犯愁,，他們能創(chuàng)造出來的組織細(xì)胞還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠�,！鄙�物學(xué)家都希望能解決這一問題,，他們在塑料或環(huán)氧支架上培養(yǎng)不同類型的細(xì)胞。然而這種前仆后繼的嘗試卻鮮有成功,，就算外部細(xì)胞能不斷增殖，內(nèi)部細(xì)胞也會因缺乏營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣而死亡,。生物學(xué)家也許能培養(yǎng)出數(shù)十億腎細(xì)胞,，并最終形成外形似腎的東西。但是如果沒有持續(xù)生長的血管來滋養(yǎng)整個腎器官,，這腎臟仍形同虛設(shè),。

新型3D打印細(xì)胞材料

哈佛大學(xué)的材料科學(xué)家Jennifer Lewis在采訪中表示：“不幸的是，這個領(lǐng)域仍有很多虛假不實(shí)的信息,。我記得我第一次看TED演講的時候——那時我正在看視頻,，突然有個人宣稱他們成功打印出了腎臟，然后展示了一個外形似腎臟的東西,。我覺得這番話很有誤導(dǎo)性,，打印出來的形狀像腎但我們并不能就把它當(dāng)做是腎。我們不該給人錯誤的期望,，否則這將給3D打印技術(shù)帶來罵名”,。

今年已經(jīng)50歲的Lewis留著短棕發(fā)，戴無框眼鏡,，她是一位非常友好而彬彬有禮的人,。盡管她對3D打印器官、組織的技術(shù)持不看好的態(tài)度,，然而,，不可否認(rèn)的是目前她的研究也在向這一新技術(shù)領(lǐng)域靠攏。二月份的時候,，Lewis和她的一名研究生學(xué)生David Kolesky以及她研究團(tuán)隊(duì)的其他成員在Advanced Materials發(fā)表了一篇論文,，論文描述了一種可以讓細(xì)胞能大量增殖的新方法。通過一個專門定制的3D打印機(jī),，Lewis研究團(tuán)隊(duì)可以打印出類似人體內(nèi)的蛋白矩陣和活細(xì)胞類型,。重要的是,，他們設(shè)法在這些細(xì)胞組織建立了血管網(wǎng)絡(luò)，這就像是真正的血管一樣,，這些血管網(wǎng)絡(luò)可以為細(xì)胞提供營養(yǎng),，保證它們繼續(xù)存活。而這種打印的細(xì)胞,，并不僅僅只是3D打印器官的成功例子,，這更是為了實(shí)現(xiàn)3D打印器官這個目標(biāo)邁出的重要一步。Lewis表示這就是我們稱為的3D生物打印——是3D“生物”打印,，而絕非簡單的3D打印,。

Lewis生長于伊利諾斯帕拉蒂尼，畢業(yè)于伊利諾斯大學(xué)香檳分校,。大一的時候Lewis曾參加了一個陶瓷工程項(xiàng)目小組,。之后，她一直是該項(xiàng)目小組的成員,，直到獲得麻省理工陶瓷科學(xué)博士學(xué)位,。Lewis在采訪中坦言她非常喜歡陶瓷的特殊屬性。陶瓷可以制作玻璃,、瓷器,、泥土，它也可以導(dǎo)電,，因此陶瓷是很多高科技電子產(chǎn)品的關(guān)鍵材料,。

她還表示：“陶瓷的加工過程不僅僅是科學(xué)的體現(xiàn)，更包含了藝術(shù),。最吸引我的部分就是某些物質(zhì)的材料可以根據(jù)組合方式的不同而擁有不同的特質(zhì),。我非常享受這種創(chuàng)造材料的過程�,！�

1990年,，Lewis回到香檳分校任教，并開始從事3D打印方面的工作,。她認(rèn)為,，3D打印技術(shù)是按三維像素——即體素來構(gòu)造材料的完美工具。她在采訪中指出：“三十年前如果你想3D打印某個東西,，你需要用紫外線固化樹脂或熱塑性塑料,，做出來的基本上就是一個原型模具，但這不是我想要的,。我想要做出來的是一個實(shí)用的材料或者是設(shè)備,。”

2001年,，Lewis開始和Scott White合作,，后者在材料工程領(lǐng)域可謂是技藝高超的專家,。多年來，Scott White一直致力于開發(fā)一種可以在遭遇破壞后自行修復(fù)的塑料或者其他類型的建筑材料,。White在采訪中告訴表示：“汽車還有飛機(jī)上的塑料或金屬零件如果遭到外界碰撞,，那么產(chǎn)生的裂痕就會損害汽車還有飛機(jī)的使用壽命，而這種裂痕通常不易從外表上發(fā)現(xiàn),，這樣就會給人們的生命安全帶來威脅,。此前，White和他的同事Nancy尋找到了解決這個問題的良方,。首先,，他們利用3D打印機(jī)創(chuàng)建出一種充滿微膠囊的新材料，而這種新材料的微膠囊里則充滿了特殊的愈合劑,。當(dāng)材料受到磨損時,，微膠囊就會打開并釋放愈合劑。這種愈合劑實(shí)際上是由單體,、塑料分子組成的,。當(dāng)愈合劑接觸到材料中的其它化學(xué)物質(zhì)時，它就會發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),，從而修復(fù)潛在裂縫。

而當(dāng)Lewis加入這個團(tuán)隊(duì)后,，研究人員便意識到這種材料應(yīng)該有自己的微通道,。只有這樣，愈合劑才能更快速的接觸并且修復(fù)裂縫,，這就像體內(nèi)的凝血蛋白和血小板通過毛細(xì)血管到達(dá)和治愈傷口那樣,。為了建立這樣的微通道，研究人員期初采用了加熱時會融化的蠟基油墨作為打印材料,。2011,，Lewis開始開發(fā)普朗尼克（聚丙二醇與環(huán)氧乙烷的加聚物）油墨。普朗尼克在室溫下是凝膠狀,，然而不同于其他材料,，它在冷卻至略高于冰點(diǎn)時，就會變成液體,。利用3D打印機(jī),，Lewis和White就可以打印出嵌有普朗尼克油墨膠體網(wǎng)絡(luò)的塑料物體。然后,，這種物體可以被冷卻,，這時液態(tài)的油墨就可以被吸出，留下一條“通道”,。因?yàn)檫@種獨(dú)特的創(chuàng)建通道的方式,，Lewis經(jīng)常將這種材料稱作為“逃跑油墨”,。

Lewis還補(bǔ)充道：“我實(shí)際上是從生物領(lǐng)域得到了啟發(fā)，從而想到了這個創(chuàng)造可以自行痊愈材料的方法,。在這個項(xiàng)目中,，我主要是負(fù)責(zé)找到一種可以在3D打印油墨中嵌入微血管網(wǎng)絡(luò)的方法。一旦我們成功了,，我相信這將產(chǎn)生廣泛的影響,。”

2013年,，Lewis離開了香檳分校,，接受了哈佛大學(xué)給他提供的一份教師職位，主要負(fù)責(zé)在Wyss研究所進(jìn)行生物啟發(fā)工程方面的研究,。她的實(shí)驗(yàn)室不但擁有數(shù)十個本科生還有研究生在工作,，還占據(jù)了主校區(qū)北部的一個絕佳位置——周邊非常安靜，實(shí)驗(yàn)室就坐落在這棟由玻璃和混凝土建造而成的建筑里的教室里,。實(shí)驗(yàn)室中央是三臺專門定制的3D打印機(jī),，每一臺打印機(jī)都價值25萬美元。當(dāng)我在九月拜訪Lewis的時候,，我就向她表示了我非常期待見到一臺3D打印機(jī)的愿望,。

于是，Lewis帶領(lǐng)我穿越了錯綜復(fù)雜的走廊還有辦公室,，最終到達(dá)了其中一臺打印機(jī)所在的房間,。第一眼看上去，3D打印機(jī)真的是非常龐大,。打印機(jī)的底部是一塊巨大的花崗巖,，長約五英尺，寬約四英尺,，高約一英尺,，重達(dá)1.5噸。Lewis告訴我：“對于3D打印機(jī)而言,，擁有一個穩(wěn)定的地基對于它進(jìn)行精密的工作是非常重要的,。”花崗巖紙上是一個水平的平臺,，平臺上方則豎直矗立四個長方體的鐵質(zhì)容器,，每一個都有一英尺之高——這就是3D打印機(jī)的油墨分配器。盡管每一個分配器都位于小型圓錐塑料尖端的底部,，但是從功能上而言,，這些分配器就和雜貨店里大型食物貨架上管螺母一樣。各色電線將分配器和其后方的機(jī)器連接在一起,，而每一個分配器則是由其頂部的機(jī)器手臂來控制,。打印機(jī)兩側(cè)還有一個大型的檢測儀和電腦來對其控制,。

Lewis還補(bǔ)充道：“每一個分配器中都含有不同的生物材料。其中一個分配器內(nèi)裝有的是懸浮狀態(tài)的膠原蛋白,，這是人體內(nèi)組織細(xì)胞成型所需要的蛋白矩陣,。而另外兩個分配器則裝有懸浮狀的纖維原細(xì)胞，這種多軟骨細(xì)胞可以形成人體內(nèi)的連接組織,。（纖維原細(xì)胞是遺棄的新生兒的包皮中提取出來的,，醫(yī)院通常會保留這種纖維原細(xì)胞用來進(jìn)行研究。）最后一個分配器中則含有之前Lewis設(shè)計出來為材料創(chuàng)造渠道的“逃亡油墨”,。同Lewis共同工作的研究生David Kolesky接下來會來解釋分配器是如何進(jìn)行工作的,。

首先，他將一塊干凈的載玻片放在了其中一個分配器下面的平臺上,。然后,，他在電腦上打開了一個軟件程序，然后找到了一張細(xì)胞組織的圖片并將它打印了出來,。打印出來的細(xì)胞組織看起來就像是一個半透明的長方體明膠,，明膠內(nèi)部則含有血管網(wǎng)絡(luò)：細(xì)胞從一端的通道中進(jìn)入，然后分開流入更小的血管中,，接著圍繞這些血管進(jìn)行環(huán)流,，最終又重新匯合在一起，進(jìn)入另一端的一個血管中,。這就是一個簡單的血管網(wǎng)絡(luò),，基本上和人體內(nèi)動脈分流成更小的毛細(xì)血管然后最終又匯合進(jìn)同一個血管的過程類似。Kolesky表示他們甚至可以設(shè)計成你想要的血管類型,。他向我展示了另一塊載玻片，這張載玻片上則顯示了一個更加復(fù)雜的分支血管類型,，看起來就像是一個無葉的樹的枝干,。我突然意識到：這是基于向心臟表層輸送氧氣和營養(yǎng)的血管而設(shè)計的模板。

接下來Kolesky就開始講述重點(diǎn)了：“含有‘逃跑油墨’的分配器會快速的運(yùn)轉(zhuǎn),，速度快到肉眼幾乎無法察覺到,。與此同時，它會釋放出一種類似于瓊脂,、非常細(xì)薄的膠體,。3D打印機(jī)工作起來會發(fā)出噼里啪啦的聲音，就像是一個在飛速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器,。一分鐘時間左右,，3D打印機(jī)就已經(jīng)打印好了所需要的內(nèi)容，還會遺留下一串凝膠狀的油墨,，正好和電腦上的圖案相匹配,。油墨的直徑大約是一毫米的十分之一,，整個圖案覆蓋的面積只比紙板火柴大一點(diǎn)。

此時,，3D打印機(jī)的任務(wù)還沒有完成,，Kolesky又繼續(xù)向我解釋了接下來的步驟。其他的油墨分配器則會輪流運(yùn)行,，還會留下由膠原蛋白與纖維原細(xì)胞組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，而這些物質(zhì)則會牢牢固定在“逃跑油墨”形成的血管網(wǎng)絡(luò)周圍，正好把血管網(wǎng)絡(luò)包含在棕褐色的活細(xì)胞組織中,。為了讓“逃跑油墨”從分配器中流出,，Kolesky會將細(xì)胞組織放在一個冷凍的石管中，這可以將凝膠狀的油墨轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),。之后,，他會用一個抽吸裝置來將油墨提取出來。最終,，錯綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)中就會遍布活細(xì)胞組織,，而這些細(xì)胞就能在血管中給細(xì)胞傳遞營養(yǎng)。

最后一步對于我來說是非常震撼的,。一旦血管中空無一物,，Kolesky就會將懸浮狀的內(nèi)皮細(xì)胞注入進(jìn)血管網(wǎng)絡(luò)中，從而使血管網(wǎng)絡(luò)中充滿內(nèi)皮細(xì)胞,。這些內(nèi)皮細(xì)胞會在渠道內(nèi)部進(jìn)行“定居與繁衍”,，將這些渠道快速有效的轉(zhuǎn)變?yōu)檠�管。接下來這些細(xì)胞就會從現(xiàn)有的血管中分離出來,，形成新的血管,，這樣一個復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)就形成了。事實(shí)上,，Lewis和她的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的這個對細(xì)胞來說是“家”的環(huán)境要遠(yuǎn)比培養(yǎng)皿或是無機(jī)支架要更適宜細(xì)胞的成長,。之前在培養(yǎng)皿和無機(jī)支架中培養(yǎng)過的細(xì)胞已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

Lewis還表示：“我們設(shè)計出的公用通道是用來讓肉皮細(xì)胞從中脫離出來的,，這樣肉皮細(xì)胞就會擁有屬于自己的私人通道,。接下來就要靠這些細(xì)胞自己的智力來成長了�,！�

Lewis的方式不過是眾多嘗試創(chuàng)建復(fù)雜組織細(xì)胞的方法之一,。布萊根婦女醫(yī)院和卡耐基梅隆大學(xué)的研究人員，正開發(fā)磁控制的“微型機(jī)器人”,，這種機(jī)器人將細(xì)胞按照預(yù)先安排的結(jié)構(gòu)排列,。而波士頓大學(xué)、萊斯大學(xué)、麻省理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì),，正在研究用糖基“油墨”制作3D血管,。其中一名研究人員對Lewis的工作贊不絕口，稱她是“全世界3D打印器官領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)人”,。

革命性改變

而對于Lewis來說,，她對3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)域帶來的變化充滿了熱情。每年,，數(shù)十億的美元都用來進(jìn)行藥物試驗(yàn),，來檢測這些藥物是否會發(fā)生新陳代謝或是帶來什么樣的副作用。Lewis在采訪中表示：“我們希望能提供一個快速失敗的模型,，利用這個模型,，這些藥物就可以在3D人體細(xì)胞組織中進(jìn)行檢測，而他們的毒性也可以檢測出來,，這就避免了在動物和人類身上進(jìn)行測試所花費(fèi)的時間和精力,。”

但是Lewis也承認(rèn)她確實(shí)考慮過用3D打印技術(shù)打印出功能完整的器官的可能性,。她在采訪中承認(rèn)：“創(chuàng)造出一個完整的腎臟,，其難度堪比登月。要做的第一步就是創(chuàng)建出一個腎單位,，這是腎臟構(gòu)成的最基本的單元,。我們的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了3D打印技術(shù)可以打印出任何類型的血管渠道，而腎單元血管也不過是另一種血管類型,。最近,，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可以將人體腎臟中的上皮細(xì)胞與創(chuàng)造的渠道連接在一起的方法。我們將這一發(fā)現(xiàn)看作是3D打印腎臟技術(shù)走向成功的階梯,，接下來我們會繼續(xù)研究,。事實(shí)上，即使是創(chuàng)造一個簡單的腎單元也可以算得上一項(xiàng)大成就,。然而,，每一個腎臟中大約有一百萬個腎單元�,！�

在我離開實(shí)驗(yàn)室之前，Kolesky像我展示了他們的孵化器,，那是一個就放在3D打印機(jī)旁邊的白色盒子,，大約為一個寢室大小的冰箱。他打開門,，在書架上方的一個載玻片上有一個已經(jīng)打印完成的組織細(xì)胞,。一根約為和意大利面差不多粗細(xì)的精致的塑料管從一段進(jìn)入，開始輸送葡萄糖、氨基酸還有其他重要的營養(yǎng)成分,。而另一個和意面差不多粗細(xì)的試管從另一端進(jìn)入,，將二氧化碳、衰弱的蛋白質(zhì)以及其他細(xì)胞垃圾帶走,。Kolesky表示在這樣的情況下,，細(xì)胞組織已經(jīng)存活了兩周之久。盡管我從外表看不太出來具體有多少,，但是這些組織細(xì)胞確實(shí)在茁壯成長,，但在我看來，這一切就是偉大成就的開端,。