3D打印，20世紀以來最受關注的技術之一，無疑是超前科技的代言詞。近年來，隨著3D打印技術的發展，這種先進的技術也逐漸滲透到醫學領域。比如，4月誕生的全球首例3D打印“完整心臟”，擁有細胞、血管、心室和心房的櫻桃般大小的心臟。

3D打印心臟過程

還有以往在3D打印器官上取得的各項突破性研究：

解決活體器官短缺，降低受體排異反應，對器官移植有著重要的意義。

那麼，距離3D打印器官可代替捐獻的器官，用於治病救人上還有多遠呢？我們今天就來講一講。

3D打印技術是什麼？

“3D打印”是對“增材製造”這種材料成型工藝的通俗叫法。

3D打印區別於傳統的材料成型工藝，在加工的過程中材料質量不減反增，通過“自下而上”的材料累加來成型，像蓋房子一樣一磚一瓦地逐漸搭砌。

整個過程以數字模型文件為基礎，通過電腦控制實現，能夠構建傳統工藝難以製造的複雜結構。

從世界上第一台商用3D打印機的誕生到現在已經30多年了，隨著技術的進步，3D打印也和我們的生活聯繫越來越緊密。

早期的3D打印只能夠用塑料作為“墨水”打印。

而現在，“墨水”可以是塑料、金屬、陶瓷、甚至細胞，被注入“墨盒”進行操作。

3D打印技術根據工藝特點，主要有三類：

一類是利用激光、等離子束等高能束將金屬、陶瓷、塑料粉末逐點、逐層的融化、燒結，最終成型。

這一類工藝主要是用在工業加工領域，例如國產大飛機C919的某些大尺寸鈦合金零件就是用這樣的工藝打印出來的。

第二類是將塑料等材料通過加熱融化為流動熔體，或是配置成可流動的漿料，通過壓力從一個針尖擠壓出來，並在空間中凝固成型。

目前常見的桌面3D打印機大多采用這類工藝。細胞和器官打印也往往用這類工藝。

第三類是基於光固化原理，利用紫外線激光會引起光固化樹脂液體固化的現象進行打印。由於激光聚焦精度高，這類工藝往往具有較好的成型精度。

3D打印是怎麼打印器官的？

女媧捏土造人、哪吒化蓮重生是我們祖先天馬行空的想像，而活體細胞的3D打印則是真實的嘗試。

生物材料和再生醫學領域的科學家們不斷嘗試利用3D打印製造可以植入人體的組織和器官。

圖片來源:3dprint

這也是3D打印最受人關注的重要新興的領域之一，近年來捷報頻傳。

2016年，科學家們將3D打印出的組織移植到生物體內，並且證明了這些從打印機裡誕生的組織能夠像正常組織一樣存活並生長。

整合組織-器官打印系統”（IntegratedTissue-Organ Printing System，ITOP）打印的下頜骨（左）和耳廓（右）。圖片來源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413

那麼這些“組織”和“器官”又是如何通過3D打印製造出來的呢？

首先，我們需要設計好數字模型藍圖，而細胞就如同普通桌面打印機中的漿料一樣，從針頭中擠出，像蓋房子一樣逐層構建，形成預定形狀。

但是，細胞和細胞之間沒有粘結的話，一旦打印出來就會潰散，因此，一種叫做水凝膠的物質被用作支架，將細胞組裝起來。

在打印的過程中，水凝膠可以維持​​組織或器官的形狀，並將細胞包裹、粘接，有序的堆疊在一起。水凝膠可以被生物降解，沒有生物毒性。

圖片來源:UC San Diego

天然組織具有大量的管道結構，以供血液等多種液體在組織中流動。如果打印的組織或器官不具備管道空腔，那麼細胞是無法存活的。

因此在水凝膠支架中預留部分空腔，有助於初期的給養和代謝。

當細胞存活並形成相對穩定的結構後，水凝膠支架就會被降解，並進一步形成供血管等管道發育生長的“空腔”。

“生物3D打印機”工作原理。墨盒中容許填充細胞和水凝膠。組織內部的空洞可供血管發育。圖片來源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt. 3413

這樣，典型的“生物3D打印機”的“墨盒”中就將填充由細胞、水凝膠組成的生物“墨水”，在打印過程中，生物“墨水”就會逐層堆疊成對應組織的形狀。

3D打印的器官和人體器官有什麼區別？

目前在實驗室中通過3D打印製造的組織和器官，在尺寸、結構、細胞種類、細胞存活時間等多方面還和人體器官有差距或是有限制，所以絕大部分的3D打印組織和器官還沒有能夠作為移植器官植入體內。

3D打印得到的器官，已經能夠維持固定的外形，具有簡單的器官功能。

然而，人體器官往往由多種不同細胞組成，各類細胞或是細胞集合發揮不同的作用，器官中又具有大量的血管、神經、各類管路等結構與細胞一起共同實現體內的複雜功能。

而現在3D打印組織或器官往往細胞種類單一，不具有復雜管網結構，通常無法實現人體器官的複雜功能，只能被稱為“類組織”或“類器官”。

3D打印的器官作為醫學研究的工具，在藥物篩選、腫瘤模型等方向發揮應用。

對於再生醫學來說，3D打印使用來自受體的細胞，製作的組織和器官不具有免疫排異性，並且組織和器官的尺寸與功能等可以實現高度個性化定制。

3D打印可植入的器官在不久的將來具有廣闊前景，十分令人期待。

本文專家:杭飛，華南理工大學國家人體組織功能重建工程技術研究中心，華南理工大學材料科學與工程學院副教授