3D打印器官新突破 离终点有多远？
2016-03-15 南方周末 南方周末
美国科学家研发出了一款可以打印大尺寸“活”组织的3D打印机，这些组织移植到老鼠身上后能够长时间地存活，并逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出真正的组织乃至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。 集成型组织-器官打印机内的喷口。（南方周末资料图/图） 1986年，美国人查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明了3D打印技术。在随后的3
美国科学家研发出了一款可以打印大尺寸“活”组织的3D打印机，这些组织移植到老鼠身上后能够长时间地存活，并逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出真正的组织乃至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。
集成型组织-器官打印机内的喷口。（南方周末资料图/图）
1986年，美国人查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明了3D打印技术。在随后的30年间，尤其是进入二十一世纪以来，随着材料科学、计算机技术等诸多领域的进展，3D打印技术取得了长足的进步。如今，你能在网上下载到各式各样的3D模型文件，用3D打印机为自己打印一个小摆件。但3D打印技术的应用远远不止局限在给人们的生活增添一抹亮色上：设计师可以用3D打印机把自己设计的作品的模型打印出来，让客户有更加直观的体验；在工业生产上，有越来越多的零部件的生产正在使用着3D打印技术，比如，空中客车公司就宣称其生产的A350 XWB机型的飞机有超过1000种零部件是用3D打印技术生产的；科学家和医生能够用3D打印机根据病人的体貌特征，“定制级”地打印出各类植入物，为病人做移植手术。
在3D打印技术方面，美国科学家最近在生物医学领域又有了新的突破。在2月15日提前在线发表在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上的一篇论文中，美国维克森林大学（Wake Forest University）再生医学研究所的科学家报告了他们研发出的一款3D生物打印机。使用这种“集成型组织-器官打印机”（Integrated Tissue-Organ Printer），研究人员成功地打印出了大尺寸的“活”的组织，包括一个外耳形状的软骨、下颚骨、头盖骨以及肌肉组织。把这些组织移植到老鼠身上后，这些组织都能够长时间地存活下来，并且逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出组织甚至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。
生物打印的困境
3D生物打印机和常规的3D打印机的原理完全一样，也是根据预先设计好的打印程序把“墨水”逐层打印出来，最终得到需要打印的物体。与常规的3D打印机之间的区别在“墨水”上：3D生物打印机的“墨水”通常都是各类生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料。根据不同的打印目的，在打印时这些材料中有时还会包含有活的细胞。这些生物或者人工合成材料的作用有的是为细胞提供一定程度的保护、促进它们的生长，其它一些材料则是扮演“骨骼”的角色，把打印出的组织“撑”起来，防止其“坍塌”。由于打印时需要保证不破坏这些生物材料和细胞的生物学活性，所以3D生物打印机对打印条件的要求更为苛刻（比如打印温度不能过高，打印时间要尽量短等等）。
“集成型组织-器官打印机”并不是科研人员研发出的第一款3D生物打印机。科学家一直以来都在致力于使用生物材料和细胞作为“墨水”打印出组织甚至器官。如果能够打印出组织或者器官，科学家不仅能够使用它们对各种疾病进行研究，而且还能把它们用于检测新研发的药物的疗效和毒副作用，甚至还能将这些组织和器官移植到病人的体内，减轻病人的痛苦、挽救病人的生命。
遗憾的是，长期以来，这些尝试都面临着很大的困难。由于不同“墨水”的化学和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印机（现有的3D生物打印机“喷洒”“墨水”的原理不止一种，比如有的类似于普通的喷墨打印机，有的“喷洒”“墨水”的方式更像挤牙膏）也有各自的优缺点，此前的3D生物打印机要么打印出的组织厚度有限，要么难于打印出外形复杂的组织。
另一方面，打印出的组织要长期“存活”，其中的细胞必须要源源不断地获取营养物质和氧气。由于打印出的组织中没有血管，所以组织深处的细胞要获取这两类物质只能依赖于它们自己扩散到细胞所在的位置。科学研究发现，在3D打印出的组织中，营养物质和氧气的扩散极限只有100-200微米（0.1-0.2毫米），这个限制使此前打印出的组织通常尺度都极其微小，多数都停留在毫米级，很多甚至不足1毫米。
研究团队的领导者阿塔拉（Anthony Atala）。（南方周末资料图/图）
“完美配方”和 两套“骨骼”
在这项新的研究中，科学家通过两种策略解决了这些难题。
首先，他们同时选取了多种生物材料来为细胞提供保护，支持细胞的生长。在打印前，这些生物材料和细胞会被混合到一起，形成一种复合水凝胶（hydrogel），作为打印时的一种“墨水”。经过不断的尝试，科学家为这种“鸡尾酒”中不同成分的比例找到了一种恰到好处的配方。这种配方的“墨水”无论是在均匀性、黏稠度、细胞在其中的存活率还是为打印机提供的分辨率上都非常得令人满意（根据需要打印的组织的种类，科学家优化出了各不相同的配方）。
在三维结构上，科学家为打印的组织制备了两套“骨骼”。
在打印的组织的内部，科学家使用一种合成材料为打印的组织提供支撑。在打印时，先用这种材料打印出一层一层外观类似纱窗的支撑网，随后再把含有细胞的复合水凝胶打印到支撑网的网眼里（实际上，根据所打印的组织的种类，这项研究采取了两种不同的“内骨骼”排布策略，这只是其中的一种）。这种策略为打印出的组织提供了强大的“内骨骼”。
为了进一步给组织提供支撑，科学家还使用另一种合成材料在整个组织的外周打印了一套“外骨骼”，防止组织在打印时发生大尺度层面上的“坍塌”。这套“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帮助站立一样，这个“外骨骼”只是在打印过程中和打印完成后的一段时间里为组织提供支撑。在打印完成并用特定的方式进一步“加固”组织之后，科学家会用液体把这些“外骨骼”洗掉，让打印的组织完全靠自己“站起来”。
这个“完美配方”和两套“骨骼”的策略不仅为组织提供了充分的支撑，而且还为组织深处的细胞打开了一扇大门，让它们能够获取到营养物质和氧气。由于“内骨骼”网眼大小恰当，在把含有细胞的水凝胶打印到网眼里之后，网眼里仍然剩有一些空间，每一层的这些空间相互连通，就形成了一个个微管道（microchannel）与组织表面连通，为营养物质和氧气扩散进入组织深处提供了通道。
用集成型组织-器官打印机打印出的下颚骨和外耳。（南方周末资料图/图）
扫描，装“墨”，打印
解决了支撑和供养这两个难题，打印就变得不那么复杂了。以外耳软骨为例，科学家首先使用CT或者核磁共振对人耳进行扫描，然后使用计算机软件设计出了一个外耳的3D模型，并且为打印机的每个喷口（打印机有不止一个喷口）选定了在每一层中进行喷“墨”的位置和喷口的移动路径。
在打印的时候，科学家把包含有细胞的水凝胶（打印耳朵时使用的是软骨细胞）和两种“骨骼”的“墨水”分别装入不同的注射器中，利用气压控制装置，计算机会在预先选定的喷“墨”位置加大注射器中的气压，把“墨水”挤压出来。当整个打印过程结束以后，通过特定的化学反应，科学家还会让水凝胶中的某些分子之间发生交联反应，让这些分子和自己周边的同伴“手拉手”，形成又一个支撑网络。交联反应形成的网络和“内骨骼”这时已经足以为组织提供其所需要的支撑，“外骨骼”也就不再需要，可以洗掉了。你所看到的也不再是一个方方正正，外观像泡沫的物体，而是一个外形逼真的外耳形状的软骨组织。
除了这块外耳形状的软骨，科学家还用这台打印机打印出了一块人的下颚骨、一块大鼠的颅盖骨和一小块小鼠的肌肉组织。除了肌肉组织的尺寸较小以外，外耳、下颚骨和颅盖骨的尺寸都很大。比如，外耳的尺度达到了3.2cm×1.6cm×0.9cm，和真人耳朵的尺寸相当，在大小上足以用于整形手术。
组织能长期存活
3D生物打印追求的绝不只是外观上的逼真。打印出的组织还必须能够长期存活，否则根本无法被应用于整形手术和再生医学领域。
科学家进一步的研究发现，使用这台打印机打印出的这四种组织在体外的培养条件下都能存活很长的时间，比如，打印出的下颚骨在培养液中培养一个月之后仍然处于存活状态，其中的细胞也在进行正常的分裂生长。
更让人兴奋的结果来自移植实验。当把打印的颅盖骨移植到大鼠上5个月之后，这块组织不仅没有坏死，而且整块颅盖骨，包括颅盖骨的深处都长出了血管，这使大鼠的机体能够通过血管为其中的细胞提供营养物质和氧气。而外耳软骨在移植到小鼠上1-2个月之后，不仅形状保持得很好，而且还有一定程度的生长，软骨较外层的区域也长出了一些血管。生物机械性能的分析（比如拉伸、弯曲）发现，这块软骨的各项指标都比移植前有了大幅度的提高，有的指标甚至已经达到了天然耳朵的水平。科学家还把打印出的肌肉组织移植到了小鼠体内，并把一根切断的神经纤维包埋在这块肌肉组织里。两周之后，小鼠再生的神经纤维就已经能够支配控制这块肌肉组织了。各项分析还显示，这块组织的特性已经达到了自然状态下处于发育中（但尚未发育完全）的肌肉组织的水平。
所有这些结果都表明，这个集成型组织-器官打印系统所打印出的组织不仅能够在体外长期存活，而且在移植到动物体内之后能够逐渐地“融入”到动物的机体中去，这无疑使科学家向3D打印组织未来可能的临床应用又迈进了一步。
当之无愧的领跑者
这台打印机研发团队的领导者是美国维克森林大学医学院再生医学研究所的安东尼·阿塔拉（Anthony Atala）博士。他领导的团队一直以来都是全球3D生物打印、组织工程和再生医学领域的领跑者。他本人正在申请或者已经持有的相关领域的专利数量甚至超过了200项。由于其卓越的学术成就，他和他的团队获得了很多医学领域奖项的肯定。大众媒体对他和他团队的工作也保持着高度的关注，美国的《时代》周刊就曾不止一次把他们的研究进展列入其盘点的年度医学突破榜单里。
阿塔拉同时还担任该研究所的所长。在他的领导下，这个研究所一直是全世界这些领域的领袖级研究机构之一。这一点从美国军方对其研究的大力支持就能看得出来：美国军方的再生医学研究所一直都在为其提供资金支持，其中2013/2014年度开始的第二期资助项目的资金总额达到了7500万美元。
在过去的二十年间，这个研究所在再生医学等领域创下了很多全球第一，其中有的已经在临床上取得了应用：1999年，第一次在实验室制造出了人工膀胱，并成功地移植到病人体内；2003年，制造出了第一颗能够分泌尿液的迷你肾脏；2004年，第一次制造出了人工输尿管，并成功地移植到病人体内；2011年，制造出了第一块人工肛门括约肌，并在动物实验上取得了成功……所有这些卓越的成就都让人对这个研究所未来的科研进展充满期待。
离终点有多远？
虽然这款集成型组织-器官打印机必将会对3D生物打印技术未来的发展起到很大的推动作用，但是距离真正打印出组织和器官并将其应用于临床治疗上，科学家还有很长的路要走。
其中一个最大的困难是很多组织和器官都非常复杂，其所含有的细胞种类也很多，而且很多时候这些细胞并不是按种类分层或是成簇分布在一起的。要想打印出这些组织或者器官，对打印机的分辨率要求非常高，现有的打印机无法达到这样的水平，短期内恐怕也很难设计制造出具有这样分辨率的打印机。其它一些需要解决的问题还包括需要找到更多能够用作“墨水”的生物材料（目前被用作打印“墨水”的材料种类数量很有限），大尺寸的组织或器官的整体性（不坍塌、不出现严重的变形）以及植入体内后血管生长等方面的问题也都还有待进一步的研究。这仍将是一条漫漫长路。
在2009年进行的一个演讲中，Atala使用了这样的一段话作为结束语，“归根结底，再生医学只有一个目标。这个目标非常简单，那就是让我们的病人变得更加健康。”有这样的一个目标在激励着全世界的医学研究者们，无论是在3D生物打印还是再生医学的其它领域，相信我们离这条漫长道路的终点将会越来越近。
（原文标题：3D打印器官新突破）
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