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)療團隊為一個三個月大的男嬰進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)療團隊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)療團隊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。

走進最真實的3D打印技術(shù)

顧名思義,，3D打印機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打印機誕生，它是由美國工程師Charles Hull發(fā)明的,。3D打印機里的“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打印機將零件原型打印出來進行生產(chǎn),。而如今,，這種現(xiàn)象已經(jīng)非常普遍了。隨著科技的進步,，3D打印機也就變得沒有那么獨特了,，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、眼鏡,、運動鞋,、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�,，F(xiàn)在3D打印機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)下運行的3D打印機，通過這款3D打印機來為宇航員們制作披薩,。）有興趣的人只要支付一小筆費用,，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)療團隊在此之前曾經(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,。基于這個模型,，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)者認為，這項技術(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行掃描,，然后才能決定應(yīng)該如何對牙齒進行矯正。Invisalign牙套看起來就像是一個透明的塑料嘴巴防護層,，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行了一項測試,，用3D打印機打印出“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。Summit在電話中告訴我：“如果你仔細觀察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,。事實上，3D System的3D打印脊椎是由精細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：“其實還有一些摩托化機動輔助器材,，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械腿因為它是根據(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)還在不斷進步,，希望有朝一日Boxtel能實現(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博士進行了交談,，他是這家醫(yī)院的顱面手術(shù)的負責(zé)人,。Oren Tepper博士在他的實踐中開創(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)生就會為她進行氣管切開術(shù),。通常來說，醫(yī)院會為這種患者進行頜骨重建,，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,，以促進其骨細胞生長,，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)法試圖在實驗室中設(shè)計制造出人體的腎臟，肝臟以及其他器官和細胞組織,。如果這個想法成功了,，那么需要接受移植手術(shù)的病患就無需浪費大量時間來尋找捐獻者了。但是,，在實驗室中進行細胞組織培養(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，開始在他的實驗室中的可降解支架上培養(yǎng)人體的膀胱細胞,。他培養(yǎng)的細胞呈袋狀,，之后他將這種帶狀細胞成功植入了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。其實在此之前,，許多項目也經(jīng)常利用3D技術(shù)打印出聚合物支架上的氣管細胞,、心肌細胞或是腎細胞，但始終未能使其成長為成熟器官,。目前科學(xué)家們都在實驗室里齊心協(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,；而顯微鏡則讓我們看到了人體內(nèi)部細微的有機組織還有細胞。然而讓天文學(xué)家從三維角度理解宇宙發(fā)展很容易,，讓細胞生物學(xué)家從三維角度理解微觀世界卻很難,，因為人類對于微觀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行觀察,。因此，即便擁有先進的電腦軟件技術(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)在我的實驗室里研究排列在人類靜脈,、動脈和毛細血管內(nèi)的內(nèi)皮細胞。當(dāng)這些細胞被移出體外,，它們就會迅速死亡,。實驗室里必須有特殊的設(shè)備，才能維持內(nèi)皮細胞的存活和生長,。首先我要將內(nèi)皮細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)皮細胞能存活數(shù)周,。然而我卻也無法控制內(nèi)皮細胞自組膠原基質(zhì)。之前我在孵化器中放置了一盤肉皮細胞,，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，再怎么強調(diào)這種結(jié)構(gòu)對于生物系統(tǒng)功能正常運行的重要性也不為過了,。

鐮形細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)家團隊成功在凝膠骨架中培養(yǎng)出了神經(jīng)元，這樣細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,，會有越來越多的實驗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“十億細胞建造:3D打印技術(shù)能夠帶我們實現(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)的組織細胞遠遠不夠，這些人造細胞需要能夠進行營養(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)造出來的組織細胞還遠遠不夠,�,！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)不同類型的細胞,。然而這種前仆后繼的嘗試卻鮮有成功,，就算外部細胞能不斷增殖，內(nèi)部細胞也會因缺乏營養(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以及她研究團隊的其他成員在Advanced Materials發(fā)表了一篇論文,，論文描述了一種可以讓細胞能大量增殖的新方法,。通過一個專門定制的3D打印機，Lewis研究團隊可以打印出類似人體內(nèi)的蛋白矩陣和活細胞類型,。重要的是,，他們設(shè)法在這些細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)可以為細胞提供營養(yǎng),，保證它們繼續(xù)存活。而這種打印的細胞,，并不僅僅只是3D打印器官的成功例子,，這更是為了實現(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目小組,。之后，她一直是該項目小組的成員,，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加入這個團隊后,，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血管到達和治愈傷口那樣,。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時，就會變成液體。利用3D打印機,，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”。因為這種獨特的創(chuàng)建通道的方式,，Lewis經(jīng)常將這種材料稱作為“逃跑油墨”,。

Lewis還補充道：“我實際上是從生物領(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,。在這個項目中,，我主要是負責(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，主要負責(zé)在Wyss研究所進行生物啟發(fā)工程方面的研究,。她的實驗室不但擁有數(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，實驗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,。實驗室中央是三臺專門定制的3D打印機,，每一臺打印機都價值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,，最終到達了其中一臺打印機所在的房間,。第一眼看上去，3D打印機真的是非常龐大,。打印機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1.5噸。Lewis告訴我：“對于3D打印機而言,，擁有一個穩(wěn)定的地基對于它進行精密的工作是非常重要的,�,！被◢弾r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器連接在一起，而每一個分配器則是由其頂部的機器手臂來控制,。打印機兩側(cè)還有一個大型的檢測儀和電腦來對其控制,。

Lewis還補充道：“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胞，這種多軟骨細胞可以形成人體內(nèi)的連接組織,。（纖維原細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胞用來進行研究。）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,，然后找到了一張細胞組織的圖片并將它打印了出來,。打印出來的細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)：細胞從一端的通道中進入,，然后分開流入更小的血管中,，接著圍繞這些血管進行環(huán)流，最終又重新匯合在一起,，進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血管然后最終又匯合進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就開始講述重點了：“含有‘逃跑油墨’的分配器會快速的運轉(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、非常細薄的膠體,。3D打印機工作起來會發(fā)出噼里啪啦的聲音,，就像是一個在飛速旋轉(zhuǎn)的機器。一分鐘時間左右,，3D打印機就已經(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。

此時,，3D打印機的任務(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行,，還會留下由膠原蛋白與纖維原細胞組成的網(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胞組織中,。為了讓“逃跑油墨”從分配器中流出,，Kolesky會將細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)中就會遍布活細胞組織,，而這些細胞就能在血管中給細胞傳遞營養(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)皮細胞注入進血管網(wǎng)絡(luò)中，從而使血管網(wǎng)絡(luò)中充滿內(nèi)皮細胞,。這些內(nèi)皮細胞會在渠道內(nèi)部進行“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。事實上,，Lewis和她的研究團隊創(chuàng)造的這個對細胞來說是“家”的環(huán)境要遠比培養(yǎng)皿或是無機支架要更適宜細胞的成長,。之前在培養(yǎng)皿和無機支架中培養(yǎng)過的細胞已經(jīng)證明了這一點。

Lewis還表示：“我們設(shè)計出的公用通道是用來讓肉皮細胞從中脫離出來的,，這樣肉皮細胞就會擁有屬于自己的私人通道,。接下來就要靠這些細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“微型機器人”，這種機器人將細胞按照預(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)的研究團隊,，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行藥物試驗,，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人體細胞組織中進行檢測，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行測試所花費的時間和精力,。”

但是Lewis也承認她確實考慮過用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：“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。我們的研究團隊已經(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，我們團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可以將人體腎臟中的上皮細胞與創(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。事實上,，即使是創(chuàng)造一個簡單的腎單元也可以算得上一項大成就,。然而，每一個腎臟中大約有一百萬個腎單元,�,！�

在我離開實驗室之前,，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)打印完成的組織細胞,。一根約為和意大利面差不多粗細的精致的塑料管從一段進入,，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的試管從另一端進入,，將二氧化碳、衰弱的蛋白質(zhì)以及其他細胞垃圾帶走,。Kolesky表示在這樣的情況下,，細胞組織已經(jīng)存活了兩周之久。盡管我從外表看不太出來具體有多少,，但是這些組織細胞確實在茁壯成長,，但在我看來，這一切就是偉大成就的開端,。