生物3D打印器官的困境，離可用還有多遠？
集成型組織-器官打印機內的噴口。（南方周末資料圖/圖）
美 國科學家研發(fā)出了一款可以打印大尺寸“活”組織的3D打印機，這些組織移植到老鼠身上后能夠長時間地存活，并逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項新的突破使科學家距離3D打印出真正的組織乃至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。
1986年，美國人查爾斯·赫爾（Charles Hull）發(fā)明了3D打印技術。在隨后的30年間，尤其是進入二十一世紀以來，隨著材料科學、計算機技術等諸多領域的進展，3D打印技術取得了長足的進步。如今，你能在網上下載到各式各樣的3D模型文件，用3D打印機為自己打印一個小擺件。但3D打印技術的應用遠遠不止局限在給人們的生活增添一抹亮色上：設計師可以用3D打印機把自己設計的作品的模型打印出來，讓客戶有更加直觀的體驗；在工業(yè)生產上，有越來越多的零部件的生產正在使用著3D打印技術，比如，空中客車公司就宣稱其生產的A350 XWB機型的飛機有超過1000種零部件是用3D打印技術生產的；科學家和醫(yī)生能夠用3D打印機根據病人的體貌特征，“定制級”地打印出各類植入物，為病人做移植手術。
在3D打印技術方面，美國科學家最近在生物醫(yī)學領域又有了新的突破。在2月15日提前在線發(fā)表在《自然生物技術》（Nature Biotechnology）雜志上的一篇論文中，美國維克森林大學（Wake Forest University）再生醫(yī)學研究所的科學家報告了他們研發(fā)出的一款3D生物打印機。使用這種“集成型組織-器官打印機”（Integrated Tissue-Organ Printer），研究人員成功地打印出了大尺寸的“活”的組織，包括一個外耳形狀的軟骨、下顎骨、頭蓋骨以及肌肉組織。把這些組織移植到老鼠身上后，這些組織都能夠長時間地存活下來，并且逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項新的突破使科學家距離3D打印出組織甚至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。
生物打印的困境
3D生物打印機和常規(guī)的3D打印機的原理完全一樣，也是根據預先設計好的打印程序把“墨水”逐層打印出來，最終得到需要打印的物體。與常規(guī)的3D打印機之間的區(qū)別在“墨水”上：3D生物打印機的“墨水”通常都是各類生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料。根據不同的打印目的，在打印時這些材料中有時還會包含有活的細胞。這些生物或者人工合成材料的作用有的是為細胞提供一定程度的保護、促進它們的生長，其它一些材料則是扮演“骨骼”的角色，把打印出的組織“撐”起來，防止其“坍塌”。由于打印時需要保證不破壞這些生物材料和細胞的生物學活性，所以3D生物打印機對打印條件的要求更為苛刻（比如打印溫度不能過高，打印時間要盡量短等等）。
“集成型組織-器官打印機”并不是科研人員研發(fā)出的第一款3D生物打印機。科學家一直以來都在致力于使用生物材料和細胞作為“墨水”打印出組織甚至器官。如果能夠打印出組織或者器官，科學家不僅能夠使用它們對各種疾病進行研究，而且還能把它們用于檢測新研發(fā)的藥物的療效和毒副作用，甚至還能將這些組織和器官移植到病人的體內，減輕病人的痛苦、挽救病人的生命。
遺憾的是，長期以來，這些嘗試都面臨著很大的困難。由于不同“墨水”的化學和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印機（現有的3D生物打印機“噴灑”“墨水”的原理不止一種，比如有的類似于普通的噴墨打印機，有的“噴灑”“墨水”的方式更像擠牙膏）也有各自的優(yōu)缺點，此前的3D生物打印機要么打印出的組織厚度有限，要么難于打印出外形復雜的組織。
另一方面，打印出的組織要長期“存活”，其中的細胞必須要源源不斷地獲取營養(yǎng)物質和氧氣。由于打印出的組織中沒有血管，所以組織深處的細胞要獲取這兩類物質只能依賴于它們自己擴散到細胞所在的位置。科學研究發(fā)現，在3D打印出的組織中，營養(yǎng)物質和氧氣的擴散極限只有100-200微米（0.1-0.2毫米），這個限制使此前打印出的組織通常尺度都極其微小，多數都停留在毫米級，很多甚至不足1毫米。
研究團隊的領導者阿塔拉（Anthony Atala）。（南方周末資料圖/圖）
“完美配方”和 兩套“骨骼”
在這項新的研究中，科學家通過兩種策略解決了這些難題。
首先，他們同時選取了多種生物材料來為細胞提供保護，支持細胞的生長。在打印前，這些生物材料和細胞會被混合到一起，形成一種復合水凝膠（hydrogel），作為打印時的一種“墨水”。經過不斷的嘗試，科學家為這種“雞尾酒”中不同成分的比例找到了一種恰到好處的配方。這種配方的“墨水”無論是在均勻性、黏稠度、細胞在其中的存活率還是為打印機提供的分辨率上都非常得令人滿意（根據需要打印的組織的種類，科學家優(yōu)化出了各不相同的配方）。
在三維結構上，科學家為打印的組織制備了兩套“骨骼”。
在打印的組織的內部，科學家使用一種合成材料為打印的組織提供支撐。在打印時，先用這種材料打印出一層一層外觀類似紗窗的支撐網，隨后再把含有細胞的復合水凝膠打印到支撐網的網眼里（實際上，根據所打印的組織的種類，這項研究采取了兩種不同的“內骨骼”排布策略，這只是其中的一種）。這種策略為打印出的組織提供了強大的“內骨骼”。
為了進一步給組織提供支撐，科學家還使用另一種合成材料在整個組織的外周打印了一套“外骨骼”，防止組織在打印時發(fā)生大尺度層面上的“坍塌”。這套“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幫助站立一樣，這個“外骨骼”只是在打印過程中和打印完成后的一段時間里為組織提供支撐。在打印完成并用特定的方式進一步“加固”組織之后，科學家會用液體把這些“外骨骼”洗掉，讓打印的組織完全靠自己“站起來”。
這個“完美配方”和兩套“骨骼”的策略不僅為組織提供了充分的支撐，而且還為組織深處的細胞打開了一扇大門，讓它們能夠獲取到營養(yǎng)物質和氧氣。由于“內骨骼”網眼大小恰當，在把含有細胞的水凝膠打印到網眼里之后，網眼里仍然剩有一些空間，每一層的這些空間相互連通，就形成了一個個微管道（microchannel）與組織表面連通，為營養(yǎng)物質和氧氣擴散進入組織深處提供了通道。
用集成型組織-器官打印機打印出的下顎骨和外耳。（南方周末資料圖/圖）
掃描，裝“墨”，打印
解決了支撐和供養(yǎng)這兩個難題，打印就變得不那么復雜了。以外耳軟骨為例，科學家首先使用CT或者核磁共振對人耳進行掃描，然后使用計算機軟件設計出了一個外耳的3D模型，并且為打印機的每個噴口（打印機有不止一個噴口）選定了在每一層中進行噴“墨”的位置和噴口的移動路徑。
在打印的時候，科學家把包含有細胞的水凝膠（打印耳朵時使用的是軟骨細胞）和兩種“骨骼”的“墨水”分別裝入不同的注射器中，利用氣壓控制裝置，計算機會在預先選定的噴“墨”位置加大注射器中的氣壓，把“墨水”擠壓出來。當整個打印過程結束以后，通過特定的化學反應，科學家還會讓水凝膠中的某些分子之間發(fā)生交聯反應，讓這些分子和自己周邊的同伴“手拉手”，形成又一個支撐網絡。交聯反應形成的網絡和“內骨骼”這時已經足以為組織提供其所需要的支撐，“外骨骼”也就不再需要，可以洗掉了。你所看到的也不再是一個方方正正，外觀像泡沫的物體，而是一個外形逼真的外耳形狀的軟骨組織。
除了這塊外耳形狀的軟骨，科學家還用這臺打印機打印出了一塊人的下顎骨、一塊大鼠的顱蓋骨和一小塊小鼠的肌肉組織。除了肌肉組織的尺寸較小以外，外耳、下顎骨和顱蓋骨的尺寸都很大。比如，外耳的尺度達到了3.2cm×1.6cm×0.9cm，和真人耳朵的尺寸相當，在大小上足以用于整形手術。
組織能長期存活
3D生物打印追求的絕不只是外觀上的逼真。打印出的組織還必須能夠長期存活，否則根本無法被應用于整形手術和再生醫(yī)學領域。
科學家進一步的研究發(fā)現，使用這臺打印機打印出的這四種組織在體外的培養(yǎng)條件下都能存活很長的時間，比如，打印出的下顎骨在培養(yǎng)液中培養(yǎng)一個月之后仍然處于存活狀態(tài)，其中的細胞也在進行正常的分裂生長。
更讓人興奮的結果來自移植實驗。當把打印的顱蓋骨移植到大鼠上5個月之后，這塊組織不僅沒有壞死，而且整塊顱蓋骨，包括顱蓋骨的深處都長出了血管，這使大鼠的機體能夠通過血管為其中的細胞提供營養(yǎng)物質和氧氣。而外耳軟骨在移植到小鼠上1-2個月之后，不僅形狀保持得很好，而且還有一定程度的生長，軟骨較外層的區(qū)域也長出了一些血管。生物機械性能的分析（比如拉伸、彎曲）發(fā)現，這塊軟骨的各項指標都比移植前有了大幅度的提高，有的指標甚至已經達到了天然耳朵的水平。科學家還把打印出的肌肉組織移植到了小鼠體內，并把一根切斷的神經纖維包埋在這塊肌肉組織里。兩周之后，小鼠再生的神經纖維就已經能夠支配控制這塊肌肉組織了。各項分析還顯示，這塊組織的特性已經達到了自然狀態(tài)下處于發(fā)育中（但尚未發(fā)育完全）的肌肉組織的水平。
所有這些結果都表明，這個集成型組織-器官打印系統所打印出的組織不僅能夠在體外長期存活，而且在移植到動物體內之后能夠逐漸地“融入”到動物的機體中去，這無疑使科學家向3D打印組織未來可能的臨床應用又邁進了一步。
當之無愧的領跑者
這臺打印機研發(fā)團隊的領導者是美國維克森林大學醫(yī)學院再生醫(yī)學研究所的安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）博士。他領導的團隊一直以來都是全球3D生物打印、組織工程和再生醫(yī)學領域的領跑者。他本人正在申請或者已經持有的相關領域的專利數量甚至超過了200項。由于其卓越的學術成就，他和他的團隊獲得了很多醫(yī)學領域獎項的肯定。大眾媒體對他和他團隊的工作也保持著高度的關注，美國的《時代》周刊就曾不止一次把他們的研究進展列入其盤點的年度醫(yī)學突破榜單里。
阿塔拉同時還擔任該研究所的所長。在他的領導下，這個研究所一直是全世界這些領域的領袖級研究機構之一。這一點從美國軍方對其研究的大力支持就能看得出來：美國軍方的再生醫(yī)學研究所一直都在為其提供資金支持，其中2013/2014年度開始的第二期資助項目的資金總額達到了7500萬美元。
在過去的二十年間，這個研究所在再生醫(yī)學等領域創(chuàng)下了很多全球第一，其中有的已經在臨床上取得了應用：1999年，第一次在實驗室制造出了人工膀胱，并成功地移植到病人體內；2003年，制造出了第一顆能夠分泌尿液的迷你腎臟；2004年，第一次制造出了人工輸尿管，并成功地移植到病人體內；2011年，制造出了第一塊人工肛門括約肌，并在動物實驗上取得了成功……所有這些卓越的成就都讓人對這個研究所未來的科研進展充滿期待。
離終點有多遠？
雖然這款集成型組織-器官打印機必將會對3D生物打印技術未來的發(fā)展起到很大的推動作用，但是距離真正打印出組織和器官并將其應用于臨床治療上，科學家還有很長的路要走。
其中一個最大的困難是很多組織和器官都非常復雜，其所含有的細胞種類也很多，而且很多時候這些細胞并不是按種類分層或是成簇分布在一起的。要想打印出這些組織或者器官，對打印機的分辨率要求非常高，現有的打印機無法達到這樣的水平，短期內恐怕也很難設計制造出具有這樣分辨率的打印機。其它一些需要解決的問題還包括需要找到更多能夠用作“墨水”的生物材料（目前被用作打印“墨水”的材料種類數量很有限），大尺寸的組織或器官的整體性（不坍塌、不出現嚴重的變形）以及植入體內后血管生長等方面的問題也都還有待進一步的研究。這仍將是一條漫漫長路。
在2009年進行的一個演講中，Atala使用了這樣的一段話作為結束語，“歸根結底，再生醫(yī)學只有一個目標。這個目標非常簡單，那就是讓我們的病人變得更加健康。”有這樣的一個目標在激勵著全世界的醫(yī)學研究者們，無論是在3D生物打印還是再生醫(yī)學的其它領域，相信我們離這條漫長道路的終點將會越來越近。
(責任編輯：admin)
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