心臟都能3D打印了，用于器官移植還遠嗎？
一位遭受車禍的重傷員正被抬上救護車，在醫護人員對他進行緊急救治的同時，其全身的損傷數據被掃描并被傳送至醫院，傷者因心臟破裂危在旦夕，醫生立即著手為其打印一顆心臟，當傷者到達醫院被推入手術室時，心臟也剛剛打印好并被植入傷者體內……這看似只在科幻片里出現的場景將逐步變成現實。
如今，通過生物3D打印技術，人們已經“制造”出皮膚、骨頭、血管、膀胱等人體組織或簡單器官，那么，我們離器官打印和應用還有多遠?
什么是生物3D打印?
細胞及器官打印的概念是美國Clemson大學Thomas Boland教授于2000年左右提出的，2003年Boland、Mironov等在著名國際生物雜志Trend in Biotechnology(《生物技術趨勢》)上發表《器官打印：計算機輔助的、基于噴墨的3D組織工程技術》一文，第一次全面系統地闡述了“器官打印”這一革命性概念。
2004年，師從Thomas Boland正在攻讀博士學位的徐弢利用改裝的噴墨打印機實踐了人類首次細胞打印，并以第一作者身份發表了首篇細胞打印論文。該論文一經發表，立即被美國《科學》雜志作為重大技術突破進行專題報道(Science，2004年9月24，第1895頁)。同年，Thomas Boland、徐弢等三人作為發明人于2004年在美國申請了首個細胞打印專利。
不同于人們熟知的用于工業制造的3D打印技術，生物3D打印技術(學術上稱生物增材制造技術)是一種融合材料學、細胞學、工程學以及3D打印等多學科和領域的新型再生醫學工程技術。先通過計算機處理CAD數據模型，將三維模型分為多個二維層面，再以細胞或者生物構造塊等活性材料為原材料，按照二維層面逐層累加材料，以重建人體組織和器官等生物產品。
為了實現這一技術的產業化，徐弢和同門師弟袁玉宇一起回國創辦了邁普再生醫學科技有限公司，專攻再生醫用植入器械研發，此舉填補了中國再生醫學高端領域的空白。回國后，兩人先后成為“千人計劃”國家特聘專家，在邁普任首席科學家的徐弢同時也在清華大學任教授。
“你看到的就是我們公司即將上市的產品——賽盧，一種個性化顱骨，是用聚醚醚酮(PEEK)材料打印出來的，用于修復顱骨缺損。”邁普醫學董事長袁玉宇拿著一個鑲嵌了個性化顱骨的頭骨模型對第一財經記者說，顱骨缺損大都因開放性顱腦損傷或火器性穿透傷所致，目前醫院最常用于修補顱骨的是一種鈦網。
國產個性化顱骨修補片
袁玉宇告訴記者，由于鈦網是一層薄薄的金屬網片，會給病人帶來諸多不便，包括不能過安檢、撞擊后容易凹入、太陽直射會導熱、冬天金屬冷、不可進行MRI檢查、照X光會有回影、甚至有一定的幾率會刺穿頭皮等等。相較于鈦網，聚醚醚酮(PEEK)則是近年來國外逐漸興起的一種新合成材料，不僅具有與骨接近的彈性模量，力學性能好，較高的硬度和較高的熔點，密度低質量輕，而且生物安全性較金屬植入物好，耐輻射。
由于每個病人的缺損情況不同，個性化顱骨需要定制打印。“醫生先把病人相關數據傳給公司，公司經過三維重建、設計好后傳給醫生確認，確認后再打印出產品，然后通知病人做手術。”袁玉宇說，目前市面上同類型的產品基本上被兩家美國公司所壟斷，且價格高昂、供貨周期長，“而賽盧的上市將打破這一局面，為患者帶來體驗度更好的產品”。
與賽盧相比，另一種聽起來更為高端的生物3D打印技術是營造一個有利于自體細胞生長的環境，促進組織的自我修復、再生，這樣可以最大限度的降低排異風險。
作為中國首個進入全球高端市場的再生型植入類醫療器械產品——睿膜，它被認為是最接近自體、修復效果最理想的人工硬腦(脊)膜。盡管看上去就像一塊膠布，但它內部其實有著千萬個與人體自身結構相似的微孔。
據袁玉宇介紹，將它直接貼合在腦部手術患者的腦膜破損處，可迅速實現傷口縫合的效果。它以合成生物高分子材料構成網狀結構，為成纖維細胞的長入提供支架，隨后患者的自體細胞會主動進入支架的空隙里生長，一個月就可修補好腦組織。而且，完成使命后，這塊人工腦膜會自動降解為無害的水和二氧化碳。
目前，睿膜已在全球四十多個國家和地區應用3萬多例臨床，效果良好，其中包括英國劍橋大學附屬醫院、西班牙王子醫院等多個國際頂尖醫療機構，以及中國人民解放軍總醫院、北京協和醫院等國內知名醫院。
人體腦膜（左）與睿膜的對比
打印器官應用還需20年?
2015年8月《中國器官捐獻指南》首次發布，稱全國每年約有30萬患者因器官功能衰竭等待著器官移植，但每年器官移植手術僅為1萬余例。
如果器官可以打印出來，將完美解決供體短缺問題。那么，現在既然已經可以打印人體組織，是否意味著用于臨床僅一步之遙?
袁玉宇說，“雖然在醫療領域，生物3D打印技術已經有了許多應用，但從人體細胞、組織到器官被‘打印’出來，還有相當長的一段路要走，而且，光‘打印’出來是沒有用的，要真正應用于臨床，要讓器官發揮它應有的功能，則需要更長的時間。”“我認為還需要20年。”他說。
現在來想象一下生物3D打印機打印器官的過程。首先，它需要原材料，也就是人體細胞。由于每個器官都是由許多不同的細胞組成的，那么就要先提取出干細胞，并通過生物化學手段，使它們分化成不同類型的其他細胞。隨后，對某個受體進行非常精確的測量，以保證打印出來的器官能與其匹配。接下來開動生物3D打印機，讓細胞去到該去的地方，并用特制的“膠水”讓它們粘在一起。再次，將打印成型的器官放入培養箱中，讓不同種類的細胞互動起來完成有機結合并發揮生理功能。最終，被移植入人體。
而為了實現上述的過程，至少要解決以下問題：用于打印的生物3D打印機如何制造?由于干細胞具有演變成腫瘤細胞的風險，如何避免體外分化誘導技術的安全隱患?如何保證受體的數據收集精確到能夠設計出完全與之相匹配的器官結構?作為細胞生長支架的特制“膠水”用什么材料合適?如何讓細胞在體外仍能一直保持活性?要設計出怎樣的環境才能完全模擬人體內環境?又如何對打印出來的器官進行功能訓練使其符合移植標準?如何使打印出來的器官與身體的其他組織相結合?
“我們必須看到，生物3D打印技術所涉及的學科領域特別多，材料、生命科學、醫學、機械、制造都有，這需要不同領域的科學家、產業的企業家的合作。”袁玉宇說，“現在的技術已經可以打印體外器官，如心臟和腎臟，但這些體外器官并不能真正的使用。所以這事兒不能操之過急，還要做許多的研究”。
生物3D打印還能做什么
除了打印人體細胞、組織和器官，生物3D打印還可以做些什么?袁玉宇給出的答案是“醫學3D打印模型”。簡單來說，就是基于患者病患部位的影像數據，經三維重建和設計后，利用3D打印機制造出病變部位的實物模型。
袁玉宇認為，醫學3D打印模型將在臨床中發揮重要作用。首先，醫生可以根據打印的疾病模型，更好的評估病變部位與毗鄰組織的解剖結構，設計手術入路。同時，還可以在模型上進行手術模擬，不僅提高手術的精準度，還可使手術時間大為縮短，有效減少出血量，從而更有利于患者的康復，縮短住院時間，減少患者總體住院費用。其次，直觀的模型可以讓患者更加清晰地理解自己的病情和醫生的手術方案，使醫患之間的交流更順暢，加強彼此之間的理解。
此外，還有助于醫療教學及手術技能方面的培訓。“如今，用于醫學院校教學的尸體要么短缺、要么處理或儲存費用相當昂貴。利用3D打印機打印出來的等比例人體模型，可以克服傳統尸體模型帶來的一系列不足。同時，不同材料可以打印出不同密度的人體各個部位，對于醫療培訓和理解人體的解剖結構十分有益。”
不過，說起來簡單，要實現模型的“精準”并非易事。打印出來的模型要想為復雜、疑難手術提供解決方案，那么前提就是模型與患者的真實情況是一致的。如何做到?袁玉宇說，這有賴于設計軟件以及醫院提供的影像數據。
“我們現在用的重構設計軟件是經過CFDA(國家食品藥品監督總局)認證的，它有一套嚴格的數據標準，每一個想要打印模型的臨床案例我們都會要求對方按規定提供高精度的數據，否則公司會拒絕。舉個例子，用于二維面上觀察的普通核磁共振只需掃描幾張圖像，而我們的3D打印重建則需使用幾百張的影像圖片，從而保證了原始數據的完整性。”
而且，使用的也是特殊的3D打印機。這是因為打印出來的模型中每個組織的材質必須和人體接近，從而使得醫生進行預手術時，處理起來的感覺與真正手術相接近。
目前邁普醫學的此項服務已經完成了近500個臨床案例，反饋良好。同時，由于成本并不高，美國和日本也都在大力推進3D打印模型在醫學中的應用。
據了解，日本中央社會醫療保險協議于2016年1月20日批準將3D打印臟器模型輔助手術的醫療手段納入醫療保險支付范圍。美國的《國家制造創新網絡計劃年度報告》也于今年2月份明確提出關注增材制造和3D打印技術。與此同時，美國FDA相關法規已經允許3D打印模型和3D打印手術導板用于臨床。
“此外，生物3D打印也將對藥物開發產生深遠影響。藥物研究大多需要各種級別的動物實驗和人體試驗，而未來以3D打印的模式器官來代替試驗，不僅有利于縮短臨床藥物研發周期，節省上億美元研發費用，還將避免潛在的人體試驗損害”，袁玉宇說。
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