1.需要解决打印过程中细胞能否存活、能否发育、能否变异甚至肿瘤化的问题；

2.3D生物打印机必须满足生物仿生对制造精度、准确性的极高要求；

3.组织及器官是由多材料及多细胞构成的非均质体系，对制造学的要求也相当高。

早在2006年，美国韦克弗雷斯特就成功利用细胞扩增计数在体外培植膀胱，2016年2月，该大学研究团队利用新开发的3D生物打印系统打印出人造耳朵、骨头和肌肉组织，移植到动物身上后都能保持活性。

在国内，2016年底，四川大学华西医院研究团队利用恒河猴的之房间充质干细胞制备成3D生物打印墨汁，用3D打印技术构建出具有生物活性的人工血管，并将其置换恒河猴体内的一段腹主动脉，实现了血管再生。

2018年6月，英国纽卡斯尔大学的科学家们已经创造出了全球首个3D打印人类眼角膜。目前3D打印角膜还在安全测试，一旦成功可能解决未来世界范围内的眼角膜短缺问题。

2018年12月，俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机在零重力条件下打印出实验鼠的甲状腺。建造该打印机的Invitro公司声称，在零重力环境下，打印出来的器官和组织比在地球上成熟得更快，效率也更高，为在国际空间站上打印出人体器官铺平道路。

不过，目前3D生物打印还处在研究使用的早期阶段，人类能够精准得打印牙齿、骨骼等组织结构相对简单的零部件，并应用于临床。颅骨损伤的病人，也可以通过3D打印头盖骨实现整形。对于复杂的人体器官来说，实现3D生物打印难度太大。

复杂活体器官移植不再是梦

但梦想总是要有的，万一实现了呢？这不，近日美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队就带来了一项具有里程碑意义的发明：一个由水凝胶3D打印而成的肺模型，它具有完整的血管结构，能够像肺部一样，朝周围的血管输送氧气。

人造功能性组织的最大障碍是无法打印那些为组织输送营养的血管。论文通讯作者、美国赖斯大学生物工程助理教授乔丹·米勒表示，“人体内的器官还有独立的管道系统，比如肺部同时拥有气道和血管，肝脏则同时拥有胆管和血管。这些互相交织的管道网络在生理和生化上相互联系，其结构与其组织功能息息相关。”如何用3D打印出错综复杂的管道系统是研究的难点。

从设计到打印的全过程（图片来源：参考资料[1]）

为此，这支团队开创了一种全新的3D打印技术：首先，按照电脑设计，他们会将一个三维的复杂结构分解为多层二维打印的蓝图；其次，他们使用一种液体的水凝胶溶液按蓝图进行打印，并通过特殊的蓝光将其逐层固化。此外，他们在水凝胶中添加了可吸收蓝光的食用色素，使其能在高分辨率的蓝光照射下变为固体。研究显示，这种技术可在几分钟内由水凝胶打印出具有精细内部结构（分辨率达10-50微米）和生物相容性的网络结构。这个模拟打印器官能像人体肺部一样向周围组织输送氧气，而且其外形只有硬币大小。

整个打印的“肺部”还没有一枚硬币大

说到打印活性器官，其实这并非第一例，就在不久前（4月15日），以色列科研团队就高调宣布，已经利用人类自身的脂肪组织， 3D打印出了全球第一颗“人造心脏”。

3D打印心脏的全过程（图片来源：参考资料[2]）

其操作方法具体来讲是这样的：研究人员们先从患者体内取出一些脂肪组织并将其分离为“细胞”与“非细胞”。这些细胞随后被用来诱导产生多能干细胞，而胶原蛋白和糖蛋白等非细胞成分则用来合成“个体化凝胶”，来充当3D打印的“墨水”。此外，研究人员利用CT扫描技术勾勒出心脏的大体结构（包括心脏的形状，心房心室的尺寸，以及主要血管的走向），对于CT扫描无法获取的小血管网络结构，研究人员们又使用了数学模型，计算不同区域的氧消耗，合理分配血管的走向。

脂肪变成打印心脏的“墨水”（图片来源：参考资料[2]）

成功打印出的“人造心脏” 运用患者本身的材料能能有效地避免异体器官移植中的排斥问题。它带有心脏细胞和血管，结构完整，可以出现收缩，但尚不能像正常心脏一般搏动泵血。研究人员表示这会是下一步的主攻方向。

这类3D生物打印技术的研究意义是颠覆性的，仅在美国，每年就有七分之一的成年人患有某种肾脏疾病，每天大约有330人死于器官衰竭，3D生物打印出来的这些器官可以用来代替那些在患者身上病变的器官，让人重获新生，是医疗界的重大进步。

也许未来，会上演这样的现实场景： “您的心有点问题，肺也出点毛病，别急，马上打印好帮您换上。对了，最新眼角膜上市了，要不要换一副？” 你期待吗？

[1] Bagrat Grigoryan et al., (2019), Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels, Science, DOI: 10.1126/science.aav9750

[2] Nadav Noor et al., (2019), 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts, Advanced Science, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.201900344

《科学》杂志学术论文原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/364/6439/458返回搜狐，查看更多