3D打印人體器官

3D打印人體器官小男孩Kaiba的故事一名6周齡男嬰在隨父母外出時(shí)突發(fā)呼吸宭迫，隨后被確診為氣管支氣管軟化癥。面對(duì)這種少見但致命的疾病，這名名叫KaibaGionfriddo的美國男嬰的主治醫(yī)師顯得束手無措。

面對(duì)采訪的記者，Kaiba的母親說，只要可以救Kaiba，“任何方法我們都愿意嘗試”。于是Kaiba的醫(yī)生找到了密歇根大學(xué)的Glenn

Green副教授和他的同事ScottHollister教授。2012年2月9日一個(gè)經(jīng)3D打印、為Kaiba量身定做、聚己內(nèi)酯材質(zhì)的氣管夾板被置入其體內(nèi)，術(shù)后21天，Kaiba脫離了呼吸機(jī)。

這是發(fā)表于2013年5月23日的《N

Engl

J

Med》"來信（Letter）”欄目一篇短短的小文章背后的故事。倫斯勒理工學(xué)院的奇跡

美國倫斯勒理工學(xué)院（RensselaerPolytechnicInstitute）一位30歲的博士生Heather

Dewey-Hagborg正在研究電子藝術(shù)，她有收集人們遺留下DNA痕跡的古怪習(xí)慣。她在Genespace實(shí)驗(yàn)室將收集的碎屑中提取出DNA，而且對(duì)特定的基因序列進(jìn)行測(cè)序；收集到的數(shù)據(jù)隨后被輸入到一個(gè)電腦程序中，這樣就能夠通過3D打印機(jī)制造出人們希望的真實(shí)大小的雙螺旋DNA模型。首臺(tái)生物打印機(jī)的誕生

事實(shí)上早在1994年，美國麻省理工學(xué)院的幾位科研人員發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)。

2000年，美國克萊姆森大學(xué)（Clemson

University）的生物工程師

Thomas

Boland在自己的實(shí)驗(yàn)室中看到一臺(tái)舊式利盟（Lexmark）打印機(jī)，想既然噴墨打印機(jī)可以打印基因，也許還可以打印其他生物材料。Boland清空打印機(jī)墨盒并填充上膠原，將一個(gè)薄薄的黑硅膠板粘在空白紙上并裝入打印機(jī)。然后，打開一個(gè)Word文檔將其名字首字母

敲了上去，開始打印。于是，灰白色的蛋白質(zhì)清晰地在那張紙上勾勒出了“TB”字樣。

同年，Boland及其團(tuán)隊(duì)又重新裝配了一臺(tái)惠普550C臺(tái)式打印機(jī)以打印大腸桿菌。此后他們逐漸挑戰(zhàn)更大的哺乳動(dòng)物細(xì)胞，經(jīng)打印后，約

90%的細(xì)胞仍能存活，這意味著，打印產(chǎn)物是有用的。2003年Boland申請(qǐng)到了細(xì)胞打印首個(gè)專利。

2012年7月9日，在BBC網(wǎng)站上的一段視頻：美國威克森林大學(xué)安東尼·阿塔拉為人們展示在3D打印機(jī)下一塊柔軟的人類組織被打印出來。它的墨水可以是各種材料，比如金屬、陶瓷、塑料、細(xì)胞、砂石等，甚至各種食物，通過高溫或激光的方法，“墨水”被抽成絲狀，隨后這些半流體狀態(tài)的材料，按照計(jì)算機(jī)三維模型，噴嘴按照X、Y、Z三個(gè)

坐標(biāo)軸的定位點(diǎn)噴出，然后在指定的位置凝固成型；經(jīng)過一層層堆積，模型就漸漸形成立體結(jié)構(gòu)。

據(jù)安東尼的介紹：打印器官時(shí)，研究人員首先從成年患者的骨髓或脂肪中提取出干細(xì)胞，通過采用不同的生長因子，這些細(xì)胞能被分化成不同類型的其他細(xì)胞，然后再將這些細(xì)胞轉(zhuǎn)化成液滴，制成“生物墨水”，通過注射器一層一層噴涂到凝膠支架上。但人體組織的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，既有肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、血管組織細(xì)胞，又有特殊的結(jié)構(gòu)細(xì)胞、纖維組織、脂肪等，想利用自體干細(xì)胞就能培育出完整的器官，如腎臟，這是不可能的，還有復(fù)雜的、大量的過程需要去完成。用胚胎干細(xì)胞制造人體組織

科學(xué)家們用胚胎干細(xì)胞培育出骨髓和皮膚。他們也開始努力研發(fā)一種可能變成新器官的更微妙胚胎結(jié)構(gòu)。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中用一種可調(diào)節(jié)的

“微型閥”制造多層人類胚胎細(xì)胞。改變噴嘴的直徑可準(zhǔn)確控制分配細(xì)胞的速度。從二維到三維的生物打印

盡管Boland的團(tuán)隊(duì)解決了細(xì)胞打印的問題，但生物組織和器官的立體性決定了生物打印絕非Boland所發(fā)明的二維打印機(jī)那么簡單，于是，其他的生物工程師們?nèi)岳^續(xù)改造著他們的打印機(jī)。工程師們拆除了噴墨打印機(jī)的送紙系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而添加一個(gè)由步進(jìn)式電機(jī)控制的電梯式平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)可以沿Z軸上下移動(dòng)。這樣的打印機(jī)可以先打印一層細(xì)胞，然后將平臺(tái)下移，在繼續(xù)打印第二層，接著是第三層、第四層……。就這樣，生物工程師們對(duì)生命的“描繪”由畫布式的二維平面進(jìn)展到雕刻式的三維立體。他們可以用陶瓷打印出骨移植物、用聚合物打印出假肢。

使用生物打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于可以將細(xì)胞精確且準(zhǔn)確地“推送”到需要的位置。例如，在燒傷傷口上直接使用便攜式打印機(jī)打印皮膚移植物。雖然每一個(gè)傷口的形狀和深度都不同，但通過測(cè)量傷口，就可以確定皮下組織大概需要幾層細(xì)胞、表皮組織需要幾層細(xì)胞，而后逐層打印出與傷口完美匹配的皮膚組織。生物打印機(jī)的困境與未來

生物工程師們對(duì)生物打印機(jī)功能探索的雄心，絕不會(huì)僅僅因?yàn)榇蛴〕鎏沾晒趋阑蛘咂つw等簡單的人體器官而滿足。為解決全球日益增多等待器官移植的患者的需求，他們希望打印出心、腎等高度復(fù)雜的人體器官。

實(shí)際上，大多數(shù)器官的結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，常常由幾十種不同的細(xì)胞組成并發(fā)揮著各種不同功能，以肝臟為例，其所發(fā)揮的生物學(xué)功能多達(dá)

500種。

從技術(shù)上講，通過沿Z軸逐層打印細(xì)胞的3D打印機(jī)可以“搭建”出有細(xì)胞“疊成”的組織或器官，但從生物學(xué)角度說，若想這些組織或器官適用于人體移植，則需要考慮如何將不同類型的細(xì)胞“打印”至適當(dāng)?shù)奈恢?，以使其像胚胎一樣逐漸發(fā)育成所想要的組織或器官。

還要考慮如何為這些細(xì)胞提高營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，即如何建造一個(gè)血液循環(huán)系統(tǒng)。這些仍是今天3D打印尚未完全克服的難題。但正如3D打印而獲救的Kaiba，3D生物打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮著、相信在未來會(huì)繼續(xù)發(fā)揮著令人期待的作用，例如使用3D打印“肝臟組織”進(jìn)行藥物試驗(yàn)；3D打印出僅用有分泌胰島素的內(nèi)分泌細(xì)胞組成的胰腺組織治療糖尿??；3D打印出長有腫瘤的器官，供醫(yī)學(xué)生手術(shù)實(shí)習(xí)所用等等。

3D打印產(chǎn)業(yè)很早就已經(jīng)出現(xiàn)?；谌缦碌臉?gòu)想：實(shí)現(xiàn)直接數(shù)碼制造（Direct

Digital

Manufacturing，DDM）并使成品具有想象中的一切特性。但目前3D技術(shù)僅可在形狀、顏色、材質(zhì)發(fā)明具備創(chuàng)造自由度，而這些要素的組合，可能使機(jī)械、建筑、模型等具備類似實(shí)物的特性；但離功能實(shí)現(xiàn)還有很多細(xì)節(jié)需要研究。

現(xiàn)有3D打印技術(shù)成熟度低，多數(shù)公司采用逐層打印技術(shù)，層厚減小與速度提升不可兼得，且耗材較貴，上游激光源與特種耗材供應(yīng)商的市場空間不大。在中國，有北京中諾遠(yuǎn)東科技、蘇大維格等。

1，將內(nèi)含數(shù)萬個(gè)肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞的若干球形體組成的生物“墨汁”（A)裝入第一個(gè)注射器，將促進(jìn)細(xì)胞發(fā)育的非實(shí)質(zhì)肝細(xì)胞以及促進(jìn)這些細(xì)胞“噴射出”注射器的水凝膠作為生物“墨汁”（B)裝入第二個(gè)注射器。

2，連接生物打印機(jī)的電腦軟件控制與機(jī)器臂相連的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)以及裝有第二個(gè)注射器的泵頭（C)下移，即開始了模具的打印。模具看起來像排列成蜂巢圖案的3個(gè)六邊形。

3，當(dāng)注射器沿著X、Y和Z軸移動(dòng)時(shí)，一個(gè)位于打印表面旁邊、大約火柴盒大小的三角測(cè)量傳感器（D)將會(huì)追蹤注射器尖部的位置?；谶@種精確的定位信息，電腦軟件可以判斷第一個(gè)注射器是否應(yīng)就位。

4，機(jī)器臂下移裝有第一個(gè)注射器的泵頭（E)，其將在蜂窩模具中填充肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞。

5，工程師將載有最多24個(gè)完整微組織（每個(gè)大約25微米厚）的培養(yǎng)板（F)置入孵箱開始培養(yǎng)，細(xì)胞持續(xù)“融合”，以形成某一特定組織（器官）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)可以打印的組織與器官：耳代表團(tuán)隊(duì)：美國康奈爾大學(xué)

如何制作：首先對(duì)耳朵進(jìn)行3D掃描，設(shè)計(jì)出一個(gè)具有7個(gè)部分組件的模具并打印，隨后將由2.7億個(gè)牛軟骨細(xì)胞以及鼠尾膠原制成的高密度凝膠注入模具，其中膠原起到骨架作用。15分鐘后，將灌注成型的耳朵移出模具，并進(jìn)行為期數(shù)天的細(xì)胞培養(yǎng)。在3個(gè)月內(nèi)，軟骨將完成充分的擴(kuò)增并取代膠原。

優(yōu)勢(shì)：小耳畸形的發(fā)病率大約為1/2.5萬，由于外耳發(fā)育不良或畸形而導(dǎo)致失聰。不同于合成的移植物，人體細(xì)胞長成的耳更易與人體成功融合。腎：代表團(tuán)隊(duì)：美國維克弗斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所

如何制作：3D打印機(jī)在使用生物降解材料搭建骨架的同時(shí)，將腎活檢所得細(xì)胞培養(yǎng)而成的多種類型腎臟細(xì)胞“移植于”骨架中。將打印完成的最終產(chǎn)物進(jìn)行孵育培養(yǎng)。當(dāng)將腎臟組織植入人體后，隨著功能組織的生長，骨架將逐漸降解。

優(yōu)勢(shì)：在美國，腎移植患者大約占所有等待器官移植患者的80%。生物打印而成腎臟一旦具備功能性，將意味著，在某一天，醫(yī)生可以為每位患者提供完美匹配的移植腎。血管：代表團(tuán)隊(duì)：美國賓夕法尼亞大學(xué)與麻省理工學(xué)院

如何制作：使用3D打印首先在載玻片上打印出一個(gè)糖絲網(wǎng)絡(luò)，并用源于玉米材質(zhì)、可降解的一層薄薄聚合物包被固定該糖絲網(wǎng)絡(luò)，而后將含有組織細(xì)胞的凝膠灌入糖絲模具中。待凝固后，用水沖洗以融掉糖分，最后可以得到中空的管道系統(tǒng)。優(yōu)勢(shì)：鑒于血管具有維持組織和器官活性的功能，了解如何打印更大、更強(qiáng)有力的血管系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全器官生物打印的關(guān)鍵所在。皮膚移植物：代表團(tuán)隊(duì)：美國維克菲斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所

如何制作：首先，使用生物打印機(jī)掃描并測(cè)量患者傷處。一個(gè)“噴墨閥”噴射凝血酶，另一個(gè)噴射混有膠原蛋白和纖維蛋白原的細(xì)胞（凝血酶和纖維蛋白原相互作用，產(chǎn)生血纖維蛋白凝固劑）。然后，打印機(jī)逐層打印人成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞。

優(yōu)勢(shì)：若進(jìn)行傳統(tǒng)皮膚移植，醫(yī)生需要將患者身體某處的皮膚取下，而后再拼接到患處。美國維克弗斯特大學(xué)的研究者希望可以在患處直接打印出新的皮膚。其最終目的是設(shè)計(jì)出一種便攜式打印機(jī)，用于戰(zhàn)場和災(zāi)區(qū)。骨：代表團(tuán)隊(duì)：美國華盛頓州立大學(xué)

如何制作：研究者使用陶瓷粉末打印出骨架，并在骨架外噴射一層塑料粘合劑，在1250℃的高溫下，將上述結(jié)構(gòu)烘烤120分鐘，然后將其置入盛有人骨細(xì)胞的培養(yǎng)基中，一天后，細(xì)胞開始在骨架上生長。

優(yōu)勢(shì)：每年數(shù)以百萬計(jì)的車禍幸存者都會(huì)遭受復(fù)合型骨折的折磨，而傳統(tǒng)方法修復(fù)效果不佳。在磁共振成像引導(dǎo)下，醫(yī)生可以打印出與傷者完美匹配的個(gè)性化移植物。

克隆技術(shù)可制造胚胎干細(xì)胞，或具有胚胎干細(xì)胞特性，含有遺傳編程的細(xì)胞，用這樣的細(xì)胞制造出人造組織或器官，可被植入患者體內(nèi)而不會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)的免疫反應(yīng)。但迄今為止，人體干細(xì)胞的話題過于敏感，所以暫時(shí)不能做到這點(diǎn)；但這是我們希望實(shí)現(xiàn)的科學(xué)發(fā)展！

發(fā)表于《Nature》周刊（2014年1月31日）的最新研究顯示，日本理研發(fā)育生物學(xué)中心的科學(xué)家，將皮膚或成熟血細(xì)胞浸泡到pH5.5的弱檸檬酸中不到30分鐘，就能促使它們?cè)诮酉聛淼?8小時(shí)內(nèi)恢復(fù)到一種類似胚胎干細(xì)胞的不成熟狀態(tài)。研究人員稱之為“STAP干細(xì)胞”的細(xì)胞隨后被置于生長液中培養(yǎng)，并最終發(fā)育成多種完全成熟的細(xì)胞。當(dāng)這些細(xì)胞被注入一個(gè)早期的老鼠胚胎中時(shí)，它們變得與真正的胚胎干細(xì)胞一模一樣，特性也差不多，可以生成包括神經(jīng)細(xì)胞在內(nèi)的各種組織細(xì)胞。

這種方法與制造所謂的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞相比，要便宜、迅速和簡單得多，因?yàn)橹圃煺T導(dǎo)性多能干細(xì)胞需要用復(fù)雜的基因技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)同樣也可應(yīng)用于人類。相應(yīng)訪談問：您能介紹一下Kaiba目前的健康狀況嗎？

美國密歇根大學(xué)小兒耳鼻喉科副教授Green答：Kaiba正在健康成長，他的呼吸問題已經(jīng)完全解決?；诋?dāng)初夾板的設(shè)計(jì)，他的氣管正在繼續(xù)發(fā)育。

問：我們知道您和您的團(tuán)隊(duì)已在