3D打印是一項讓人著迷的技術(shù)。因?yàn)樗梢钥焖俑咝У闹圃斐鰝€性化的產(chǎn)品。隨著打印技術(shù)的成熟，3D打印逐漸被引入到醫(yī)療行業(yè)，因?yàn)槊磕甓加泻芏嗳嗽诳嗫嗟却线m的組織和器官移植。

　　3D生物打印機(jī)

　　據(jù)Wohlers Associates統(tǒng)計，僅在2014年，3D生物打印在醫(yī)療行業(yè)的市場需求為5億美元。在每年高達(dá)18%的復(fù)合年均增長率地推動下，預(yù)計到2022年，3D生物打印的市場規(guī)模將激增至18億美元。

　　高校和科研院所作為當(dāng)今社會創(chuàng)新最活躍的組織機(jī)構(gòu)，正在催生一場由3D生物打印引領(lǐng)的醫(yī)療革命。

　　Harvard University：開含血管組織3D打印先河

　　關(guān)于Harvard University，我想應(yīng)該不用做太多的介紹，即使是今天要介紹的哈佛大學(xué)Wyss研究所，在業(yè)界也是大名鼎鼎。

　　在十余年之前，3D生物打印還沒有現(xiàn)在這么火。那時候研究人員已經(jīng)可以用3D打印機(jī)打印一些生物材料，但是他們打印的組織總是很薄（厚度大約為一角錢的三分之一），因?yàn)樗麄冋也坏皆诮M織里面植入血管的辦法。在這樣的情況下，打印的組織稍微厚一點(diǎn)點(diǎn)，里面的很多細(xì)胞就會因?yàn)槿鄙贍I養(yǎng)物質(zhì)，代謝產(chǎn)物無法排出，最終窒息或者毒發(fā)身亡。

　　哈佛大學(xué)Wyss研究所Jennifer A. Lewis實(shí)驗(yàn)室的研究人員率先解決了這個問題。Lewis帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊發(fā)明了一種新的3D打印方法，可以打印出布滿血管，由多種細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)組成的組織。2014年2月，Lewis實(shí)驗(yàn)室的研究成果刊登在《Advanced Materials》上。

　　Jennifer A. Lewis

　　要打印出包含血管的模擬人體組織，打印材料是關(guān)鍵。Lewis研究團(tuán)隊開發(fā)了三種不同的“生物墨水”：固定細(xì)胞的細(xì)胞間質(zhì)“墨水”；細(xì)胞間質(zhì)和特定細(xì)胞混合成的“墨水”；以及為了生成血管而特制的“墨水”，這種墨水有一種特殊的性質(zhì)，在低溫的條件下會自動融解。

　　人工組織中細(xì)胞分布圖

　　在將三種“墨水”在特定的程序下打印完畢之后，將人工組織置于低溫條件下，此時那些為血管預(yù)留的位置就會逐漸融化開來，剩下的就是布滿各種管道的組織。此時，Lewis研究團(tuán)隊會在管道中注入血管內(nèi)皮細(xì)胞，這些細(xì)胞就會附著在通道內(nèi)壁，重新發(fā)育成成熟的血管。至此，一個模擬人體組織的人工組織便形成了。

　　Lewis研究團(tuán)隊的研究成果讓3D打印又往前走了一大步。Lewis的終極理想是打印出可以用于人體移植的器官，但是在當(dāng)時的條件下，顯然還有很長的路要走。但這并不妨礙Lewis將她的研究成果用于藥物的研發(fā)。

　　Carnegie Mellon University：想要打印心臟和大腦

　　Carnegie Mellon University（卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，簡稱CMU），坐落在賓夕法尼亞州的匹茲堡，是一所美國著名的研究型大學(xué)。

　　當(dāng)大部分研究人員都在研究如何打印骨骼、鼻子和耳朵的時候，來自CMU的Adam W. Feinberg研究團(tuán)隊卻不滿足于此，他們還想要打印心臟和大腦。

　　Adam W. Feinberg

　　Feinberg研究團(tuán)隊聲稱，他們已經(jīng)能夠利用冠狀動脈的MRI影像以及胚胎心臟的3D圖像，通過3D生物打印，以較高的分辨率和質(zhì)量，將膠原蛋白、海藻酸鹽和纖維蛋白等軟材料，打印成無生物活性的動脈等。2015年10月Feinberg研究團(tuán)隊的3D打印研究成果刊登在《科學(xué)進(jìn)展》上。

　　在不久的將來，F(xiàn)einberg研究團(tuán)隊會把心臟細(xì)胞納入這些3D打印組織結(jié)構(gòu)，利用這個支架的幫助人工心臟形成具有收縮能力的肌肉。

　　University of California， San Diego：利用IPS細(xì)胞打印人工肝臟

　　University of California， San Diego（加州大學(xué)圣迭戈分校，簡稱為UCSD，又常譯為加州大學(xué)圣地亞哥分校）是一所位于美國加州的著名公立大學(xué)。

　　1989年畢業(yè)于清華大學(xué)、現(xiàn)任職于UCSD的Shaochen Chen教授發(fā)現(xiàn)，獲得FDA批準(zhǔn)上市的藥品的研發(fā)道路是極其曲折的，這中間一般需要12年的時間和18億美元的資金投入。這主要是因?yàn)檠芯咳藛T在研發(fā)藥物時，沒有合適的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

　　Shaochen Chen教授

　　所以Chen教授就想為那些藥企制造模擬人體器官，希望能大幅降低藥企研發(fā)成本，加快新藥面市的進(jìn)程。于是，Chen教授就帶領(lǐng)團(tuán)隊開始了3D打印器官的研究。

　　今年2月份，Chen教授利用3D生物打印設(shè)備打印肝臟的研究論文刊發(fā)在《PNAS》上。在Chen教授的人工肝打印中使用了誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞（iPSCs）、誘導(dǎo)脂肪源干細(xì)胞和臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞，將這三種細(xì)胞聯(lián)合打印，便可以形成模擬的人工肝。

　　Wake Forest University：全球首個動物體可存活3D打印耳朵

　　Wake Forest University（維克森林大學(xué)）建于1834年，是美國一所極富盛名的綜合性研究大學(xué)，連續(xù)18年全美大學(xué)綜合排名25名左右，素有“南哈佛”的美譽(yù)。由于該校對招收國際學(xué)生相當(dāng)嚴(yán)格，故而在中國知名度較低。

　　對于3D生物打印器官而言，長久以來，一直困擾研究人員的一個問題是：如何讓血液在打印的器官中流動，以保證打印器官中的細(xì)胞存活。

　　今年2月份來自Wake Forest University的Anthony Atala團(tuán)隊，為解決這一世界性的難題做出了巨大的貢獻(xiàn)。他們的研究成果刊登在《自然生物技術(shù)上》。

　　Anthony Atala

　　Atala團(tuán)隊創(chuàng)建了一種新的打印模型（ITOP生物打印機(jī)），可以打印布滿小通道的骨骼、肌肉和軟骨組織，這種組織在植入小白鼠和兔子體內(nèi)之后，通道里便可以長出血管，給打印的器官提供養(yǎng)分，維持器官的功能。

　　最讓人興奮的是，ITOP目前可以打印出可以在小鼠身上存活的耳朵。這表明Atala團(tuán)隊使用的“生物墨水”和ITOP制造的微型通道給打印器官成活提供了合適環(huán)境。

　　在研究中，Atala團(tuán)隊還在小鼠體內(nèi)測試了ITOP打印的肌肉和顎骨，它們均能在小鼠體內(nèi)形成血管和相應(yīng)的軟組織。目前ITOP打印技術(shù)還沒有用于人體器官的打印，但是由于ITOP具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，下一階段，Atala團(tuán)隊將利用ITOP開展人體器官打印研究。

　　University of Wollongong：手持式3D打印機(jī)

　　University of Wollongong（UoW，伍倫貢大學(xué)，曾用名：臥龍崗大學(xué)）建于1951年，位于澳大利亞新南威爾士州伍倫貢市，澳大利亞十大研究型大學(xué)之一。

　　UoW的Gordon G Wallace研究團(tuán)隊，聯(lián)合墨爾本St. Vincent‘s醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)了一臺引領(lǐng)3D打印新變革的打印機(jī)。這臺打印接很特別，因?yàn)榇_切的來講它實(shí)際上是一支筆，一支可以完成3D打印的筆，它的名字叫3Doodler，長相如下圖。

　　G Wallace帶領(lǐng)的團(tuán)隊研發(fā)這支筆的初衷是：外科醫(yī)生用這支筆將細(xì)胞直接“畫”在受傷的骨頭或者軟骨上，以快速便捷地完成修復(fù)手術(shù)。目前3Doodler正在St. Vincent’s醫(yī)院開展臨床試驗(yàn)。

　　Gordon G Wallace

　　3Doodler的工作原理跟我們平時使用的自來水筆很類似。首選需要在筆內(nèi)灌裝藻酸鹽和干細(xì)胞混合而成的“生物墨水”，然后3Doodler會將“生物墨水”噴在骨頭上，這些覆蓋在骨頭上的“生物墨水”在3Doodler發(fā)出的UV光照耀下發(fā)生固化，此時那些干細(xì)胞就被固定在受傷的骨頭上。這些干細(xì)胞在合適的條件下會增殖，并分化成神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和成骨細(xì)胞。最終形成新的組織。

　　從Wallace今年3月份發(fā)表在《Biofabrication》的研究結(jié)果來看，目前3Doodler打印出來的細(xì)胞存活率高達(dá)97%以上。如果這種生物打印筆取得臨床成功的話，將是對軟骨組織修復(fù)手術(shù)的一次改革。

　　從上面幾所研究機(jī)構(gòu)的代表性研究成果不難看出，從只能打印出沒有生物功能的組織，到具備部分功能的組織，再到直接可以臨床應(yīng)用的手持式原位打印設(shè)備。在短短的數(shù)年之間，3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。

　　干細(xì)胞技術(shù)的引入，讓“生物墨水”的功能變得更加強(qiáng)大，研究人員因此擁有了更多的想象空間。但它同時也給研究人員帶來了一些挑戰(zhàn)，因?yàn)榭刂聘杉?xì)胞的分裂和分化是一件不容易的事情。研究人員還需要做更多的動物實(shí)驗(yàn)，研究這些打印的組織到底能不能在動物體內(nèi)安全持久的工作。