3D打印器官新突破

集成型組織-器官打印機(jī)內(nèi)的噴口。

美國科學(xué)家研發(fā)出了一款可以打印大尺寸“活”組織的3D打印機(jī),，這些組織移植到老鼠身上后能夠長時(shí)間地存活,，并逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項(xiàng)新的突破使科學(xué)家距離3D打印出真正的組織乃至器官,，并將其用于臨床治療又近了一步,。

1986年,，美國人查爾斯·赫爾（Charles Hull）發(fā)明了3D打印技術(shù)。在隨后的30年間,，尤其是進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,，隨著材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的進(jìn)展,，3D打印技術(shù)取得了長足的進(jìn)步,。如今，你能在網(wǎng)上下載到各式各樣的3D模型文件,，用3D打印機(jī)為自己打印一個(gè)小擺件,。但3D打印技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止局限在給人們的生活增添一抹亮色上：設(shè)計(jì)師可以用3D打印機(jī)把自己設(shè)計(jì)的作品的模型打印出來，讓客戶有更加直觀的體驗(yàn),；在工業(yè)生產(chǎn)上,，有越來越多的零部件的生產(chǎn)正在使用著3D打印技術(shù)，比如,，空中客車公司就宣稱其生產(chǎn)的A350 XWB機(jī)型的飛機(jī)有超過1000種零部件是用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的,；科學(xué)家和醫(yī)生能夠用3D打印機(jī)根據(jù)病人的體貌特征，“定制級”地打印出各類植入物,，為病人做移植手術(shù),。

在3D打印技術(shù)方面，美國科學(xué)家最近在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域又有了新的突破,。在2月15日提前在線發(fā)表在《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上的一篇論文中,，美國維克森林大學(xué)（Wake Forest University）再生醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家報(bào)告了他們研發(fā)出的一款3D生物打印機(jī),。使用這種“集成型組織-器官打印機(jī)”（Integrated Tissue-Organ Printer）,，研究人員成功地打印出了大尺寸的“活”的組織,，包括一個(gè)外耳形狀的軟骨,、下顎骨、頭蓋骨以及肌肉組織,。把這些組織移植到老鼠身上后,，這些組織都能夠長時(shí)間地存活下來,，并且逐漸“融入”到了周圍的組織里,。這項(xiàng)新的突破使科學(xué)家距離3D打印出組織甚至器官,，并將其用于臨床治療又近了一步。

生物打印的困境
3D生物打印機(jī)和常規(guī)的3D打印機(jī)的原理完全一樣,，也是根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的打印程序把“墨水”逐層打印出來，最終得到需要打印的物體,。與常規(guī)的3D打印機(jī)之間的區(qū)別在“墨水”上：3D生物打印機(jī)的“墨水”通常都是各類生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料,。根據(jù)不同的打印目的，在打印時(shí)這些材料中有時(shí)還會包含有活的細(xì)胞,。這些生物或者人工合成材料的作用有的是為細(xì)胞提供一定程度的保護(hù),、促進(jìn)它們的生長,，其它一些材料則是扮演“骨骼”的角色，把打印出的組織“撐”起來,，防止其“坍塌”,。由于打印時(shí)需要保證不破壞這些生物材料和細(xì)胞的生物學(xué)活性，所以3D生物打印機(jī)對打印條件的要求更為苛刻（比如打印溫度不能過高,，打印時(shí)間要盡量短等等）,。

“集成型組織-器官打印機(jī)”并不是科研人員研發(fā)出的第一款3D生物打印機(jī)�,？茖W(xué)家一直以來都在致力于使用生物材料和細(xì)胞作為“墨水”打印出組織甚至器官,。如果能夠打印出組織或者器官，科學(xué)家不僅能夠使用它們對各種疾病進(jìn)行研究,，而且還能把它們用于檢測新研發(fā)的藥物的療效和毒副作用,，甚至還能將這些組織和器官移植到病人的體內(nèi)，減輕病人的痛苦,、挽救病人的生命,。

遺憾的是，長期以來,，這些嘗試都面臨著很大的困難,。由于不同“墨水”的化學(xué)和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印機(jī)（現(xiàn)有的3D生物打印機(jī)“噴灑”“墨水”的原理不止一種,，比如有的類似于普通的噴墨打印機(jī),，有的“噴灑”“墨水”的方式更像擠牙膏）也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，此前的3D生物打印機(jī)要么打印出的組織厚度有限,，要么難于打印出外形復(fù)雜的組織,。

另一方面，打印出的組織要長期“存活”,，其中的細(xì)胞必須要源源不斷地獲取營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣,。由于打印出的組織中沒有血管，所以組織深處的細(xì)胞要獲取這兩類物質(zhì)只能依賴于它們自己擴(kuò)散到細(xì)胞所在的位置,�,？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在3D打印出的組織中,，營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散極限只有100-200微米（0.1-0.2毫米）,，這個(gè)限制使此前打印出的組織通常尺度都極其微小，多數(shù)都停留在毫米級,，很多甚至不足1毫米,。




“完美配方”和 兩套“骨骼”
在這項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家通過兩種策略解決了這些難題,。

首先,，他們同時(shí)選取了多種生物材料來為細(xì)胞提供保護(hù),，支持細(xì)胞的生長。在打印前,，這些生物材料和細(xì)胞會被混合到一起,，形成一種復(fù)合水凝膠（hydrogel），作為打印時(shí)的一種“墨水”,。經(jīng)過不斷的嘗試,，科學(xué)家為這種“雞尾酒”中不同成分的比例找到了一種恰到好處的配方。這種配方的“墨水”無論是在均勻性,、黏稠度,、細(xì)胞在其中的存活率還是為打印機(jī)提供的分辨率上都非常得令人滿意（根據(jù)需要打印的組織的種類，科學(xué)家優(yōu)化出了各不相同的配方）,。

在三維結(jié)構(gòu)上,，科學(xué)家為打印的組織制備了兩套“骨骼”。
在打印的組織的內(nèi)部,，科學(xué)家使用一種合成材料為打印的組織提供支撐,。在打印時(shí)，先用這種材料打印出一層一層外觀類似紗窗的支撐網(wǎng),，隨后再把含有細(xì)胞的復(fù)合水凝膠打印到支撐網(wǎng)的網(wǎng)眼里（實(shí)際上,，根據(jù)所打印的組織的種類，這項(xiàng)研究采取了兩種不同的“內(nèi)骨骼”排布策略,，這只是其中的一種）,。這種策略為打印出的組織提供了強(qiáng)大的“內(nèi)骨骼”。

為了進(jìn)一步給組織提供支撐,，科學(xué)家還使用另一種合成材料在整個(gè)組織的外周打印了一套“外骨骼”,，防止組織在打印時(shí)發(fā)生大尺度層面上的“坍塌”。這套“外骨骼”更像是腿骨骨折病人的一根拐杖,。和病人痊愈后就不再需要拐杖幫助站立一樣,，這個(gè)“外骨骼”只是在打印過程中和打印完成后的一段時(shí)間里為組織提供支撐。在打印完成并用特定的方式進(jìn)一步“加固”組織之后,，科學(xué)家會用液體把這些“外骨骼”洗掉,，讓打印的組織完全靠自己“站起來”。

這個(gè)“完美配方”和兩套“骨骼”的策略不僅為組織提供了充分的支撐,，而且還為組織深處的細(xì)胞打開了一扇大門,，讓它們能夠獲取到營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。由于“內(nèi)骨骼”網(wǎng)眼大小恰當(dāng),，在把含有細(xì)胞的水凝膠打印到網(wǎng)眼里之后,，網(wǎng)眼里仍然剩有一些空間，每一層的這些空間相互連通，就形成了一個(gè)個(gè)微管道（microchannel）與組織表面連通,，為營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣擴(kuò)散進(jìn)入組織深處提供了通道。




用集成型組織-器官打印機(jī)打印出的下顎骨和外耳

掃描,，裝“墨”,，打印
解決了支撐和供養(yǎng)這兩個(gè)難題，打印就變得不那么復(fù)雜了,。以外耳軟骨為例,，科學(xué)家首先使用CT或者核磁共振對人耳進(jìn)行掃描，然后使用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出了一個(gè)外耳的3D模型,，并且為打印機(jī)的每個(gè)噴口選定了在每一層中進(jìn)行噴“墨”的位置和噴口的移動(dòng)路徑,。

在打印的時(shí)候，科學(xué)家把包含有細(xì)胞的水凝膠和兩種“骨骼”的“墨水”分別裝入不同的注射器中,，利用氣壓控制裝置,，計(jì)算機(jī)會在預(yù)先選定的噴“墨”位置加大注射器中的氣壓，把“墨水”擠壓出來,。當(dāng)整個(gè)打印過程結(jié)束以后,，通過特定的化學(xué)反應(yīng)，科學(xué)家還會讓水凝膠中的某些分子之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),，讓這些分子和自己周邊的同伴“手拉手”,，形成又一個(gè)支撐網(wǎng)絡(luò)。交聯(lián)反應(yīng)形成的網(wǎng)絡(luò)和“內(nèi)骨骼”這時(shí)已經(jīng)足以為組織提供其所需要的支撐,，“外骨骼”也就不再需要,，可以洗掉了。你所看到的也不再是一個(gè)方方正正,，外觀像泡沫的物體,，而是一個(gè)外形逼真的外耳形狀的軟骨組織。

除了這塊外耳形狀的軟骨,，科學(xué)家還用這臺打印機(jī)打印出了一塊人的下顎骨,、一塊大鼠的顱蓋骨和一小塊小鼠的肌肉組織。除了肌肉組織的尺寸較小以外,，外耳,、下顎骨和顱蓋骨的尺寸都很大。比如,，外耳的尺度達(dá)到了3.2cm×1.6cm×0.9cm,，和真人耳朵的尺寸相當(dāng)，在大小上足以用于整形手術(shù),。

組織能長期存活
3D生物打印追求的絕不只是外觀上的逼真,。打印出的組織還必須能夠長期存活，否則根本無法被應(yīng)用于整形手術(shù)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

科學(xué)家進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),，使用這臺打印機(jī)打印出的這四種組織在體外的培養(yǎng)條件下都能存活很長的時(shí)間,，比如，打印出的下顎骨在培養(yǎng)液中培養(yǎng)一個(gè)月之后仍然處于存活狀態(tài),，其中的細(xì)胞也在進(jìn)行正常的分裂生長,。

更讓人興奮的結(jié)果來自移植實(shí)驗(yàn)。當(dāng)把打印的顱蓋骨移植到大鼠上5個(gè)月之后,，這塊組織不僅沒有壞死,，而且整塊顱蓋骨，包括顱蓋骨的深處都長出了血管,，這使大鼠的機(jī)體能夠通過血管為其中的細(xì)胞提供營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣,。而外耳軟骨在移植到小鼠上1-2個(gè)月之后，不僅形狀保持得很好,，而且還有一定程度的生長,，軟骨較外層的區(qū)域也長出了一些血管。生物機(jī)械性能的分析（比如拉伸,、彎曲）發(fā)現(xiàn),，這塊軟骨的各項(xiàng)指標(biāo)都比移植前有了大幅度的提高，有的指標(biāo)甚至已經(jīng)達(dá)到了天然耳朵的水平,�,？茖W(xué)家還把打印出的肌肉組織移植到了小鼠體內(nèi)，并把一根切斷的神經(jīng)纖維包埋在這塊肌肉組織里,。兩周之后,，小鼠再生的神經(jīng)纖維就已經(jīng)能夠支配控制這塊肌肉組織了。各項(xiàng)分析還顯示,，這塊組織的特性已經(jīng)達(dá)到了自然狀態(tài)下處于發(fā)育中（但尚未發(fā)育完全）的肌肉組織的水平,。

所有這些結(jié)果都表明，這個(gè)集成型組織-器官打印系統(tǒng)所打印出的組織不僅能夠在體外長期存活,，而且在移植到動(dòng)物體內(nèi)之后能夠逐漸地“融入”到動(dòng)物的機(jī)體中去,，這無疑使科學(xué)家向3D打印組織未來可能的臨床應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。

當(dāng)之無愧的領(lǐng)跑者
這臺打印機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者是美國維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院再生醫(yī)學(xué)研究所的安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）博士,。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)一直以來都是全球3D生物打印,、組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。他本人正在申請或者已經(jīng)持有的相關(guān)領(lǐng)域的專利數(shù)量甚至超過了200項(xiàng),。由于其卓越的學(xué)術(shù)成就,，他和他的團(tuán)隊(duì)獲得了很多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獎(jiǎng)項(xiàng)的肯定。大眾媒體對他和他團(tuán)隊(duì)的工作也保持著高度的關(guān)注,，美國的《時(shí)代》周刊就曾不止一次把他們的研究進(jìn)展列入其盤點(diǎn)的年度醫(yī)學(xué)突破榜單里,。

阿塔拉同時(shí)還擔(dān)任該研究所的所長。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，這個(gè)研究所一直是全世界這些領(lǐng)域的領(lǐng)袖級研究機(jī)構(gòu)之一,。這一點(diǎn)從美國軍方對其研究的大力支持就能看得出來：美國軍方的再生醫(yī)學(xué)研究所一直都在為其提供資金支持,，其中2013/2014年度開始的第二期資助項(xiàng)目的資金總額達(dá)到了7500萬美元。

在過去的二十年間,，這個(gè)研究所在再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域創(chuàng)下了很多全球第一,，其中有的已經(jīng)在臨床上取得了應(yīng)用：1999年，第一次在實(shí)驗(yàn)室制造出了人工膀胱,，并成功地移植到病人體內(nèi)；2003年,，制造出了第一顆能夠分泌尿液的迷你腎臟,；2004年，第一次制造出了人工輸尿管,，并成功地移植到病人體內(nèi),；2011年，制造出了第一塊人工肛門括約肌,，并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上取得了成功……所有這些卓越的成就都讓人對這個(gè)研究所未來的科研進(jìn)展充滿期待,。

離終點(diǎn)有多遠(yuǎn)？
雖然這款集成型組織-器官打印機(jī)必將會對3D生物打印技術(shù)未來的發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用,，但是距離真正打印出組織和器官并將其應(yīng)用于臨床治療上,，科學(xué)家還有很長的路要走。

其中一個(gè)最大的困難是很多組織和器官都非常復(fù)雜,，其所含有的細(xì)胞種類也很多,，而且很多時(shí)候這些細(xì)胞并不是按種類分層或是成簇分布在一起的。要想打印出這些組織或者器官,，對打印機(jī)的分辨率要求非常高,，現(xiàn)有的打印機(jī)無法達(dá)到這樣的水平，短期內(nèi)恐怕也很難設(shè)計(jì)制造出具有這樣分辨率的打印機(jī),。其它一些需要解決的問題還包括需要找到更多能夠用作“墨水”的生物材料（目前被用作打印“墨水”的材料種類數(shù)量很有限）,，大尺寸的組織或器官的整體性（不坍塌、不出現(xiàn)嚴(yán)重的變形）以及植入體內(nèi)后血管生長等方面的問題也都還有待進(jìn)一步的研究,。這仍將是一條漫漫長路,。

在2009年進(jìn)行的一個(gè)演講中，Atala使用了這樣的一段話作為結(jié)束語,，“歸根結(jié)底,，再生醫(yī)學(xué)只有一個(gè)目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)非常簡單,，那就是讓我們的病人變得更加健康,。”有這樣的一個(gè)目標(biāo)在激勵(lì)著全世界的醫(yī)學(xué)研究者們，無論是在3D生物打印還是再生醫(yī)學(xué)的其它領(lǐng)域,，相信我們離這條漫長道路的終點(diǎn)將會越來越近,。