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试想一下，假如你身上的某个器官或组织出现了状况，你正担心能否找到稀缺的捐献器官，这时候，医院用3D生物打印机打印出一个全新的器官移植到你的体内，就像换掉机器上一个老旧零件般简单……借助科技的发展，这个以前只能出现在科幻小说和电影中的场景，也许不再是天方夜谭。
近日，美国西北大学麦考密克工程与实用科学学院和美国西北大学范伯格医学院的研究人员用3D生物打印技术成功打印出老鼠卵巢，并顺利移植到老鼠体内，帮助老鼠产下小鼠。这项实验结果发表在近期的《自然-通讯》上。
这项新突破让研究者们振奋：也许在不远的未来，人类能够实现活体器官的“3D定制”。
1 3D生物打印技术分四个层次
人类从未想过器官可以打印，直到3D生物打印技术产生。
在3D生物打印未出现以前，人们将打印产物视为“死物”。随着科学家的不断探索与研发，“活”的东西也可以打印。
“3D生物打印技术离我们并不遥远。我们学校的3D打印设备就可以打印各类牙齿隐性矫治器、骨科手术导板、种植体、骨科植入物等。”河北科技大学机械工程学院副院长杨光教授介绍，3D生物打印，就是一种以计算机三维模型为基础，通过软件分层离散和逐层数控成型的方法，定位装配各类可用于生物体的材料或活细胞，制造人工植入支架、组织器官等生物医学产品。
和常规的3D打印技术不同，目前最前沿的3D生物打印是一种跨学科、跨领域的新型再生医学工程技术。
“3D生物打印人体器官则是生物3D打印的最高层次。”杨光解释道，3D生物打印在材料、方式和目标等方面与一般物品的3D打印都有显著区别。它要求最终产物能够生长并植入生命体，所采用的材料是用来作为细胞生长支架的水凝胶和各类生长细胞，打印方式也比较少。
“根据打印材料、生物学性能和应用情况，3D生物打印技术可分为四个层次，而离人体越近，应用难度则越大。”杨光表示。
“第一层次是体外应用，也就是如手术导板和外固定物这类体外模型、辅具的打印，它们可用于制造个性化体外器官模型，帮助医生进行手术规划、假肢设计等。”杨光介绍，因无需放置在身体内部，所以这类打印对材料的生物相容性要求不高。
也正因如此，第一层次的3D生物打印被最先实现。1986年Charles W.Hull首次提
出了“立体平板印刷”技术，并于1988年制造出第一台3D打印机，实现了经紫外线固化液态光敏树脂，形成薄层结构，并堆叠出三维立体结构。这一方法在1995年之后便被应用于医疗领域，用于打印制造如临床支架和夹板等一些医学器材。
“随后科学家开始探寻离人体更近一步的第二层次打印技术，即可植入体内的各类器械和假体，其使用的材料具有良好的生物相容性。”杨光解释道，这类打印产物的代表是各种骨替代物、关节、种植体、内固定物等，它们大多是不可降解的内植物，而材料主要有陶瓷、钛合金等。
“目前，使用常规的工业3D打印设备就可实现前两个层次的3D生物打印，技术难度更大的打印在于第三层次和第四层次。”杨光表示，第三层次打印的是可降解的内植物，其材料具有优良的生物相容性、生物活性，可以降解并被人体吸收，还可帮助细胞、神经等组织生长，目前主要用来制作植入人体内的组织支架。
最接近人体的第四层次则是器官的打印，即直接以活性细胞、蛋白或其他细胞的基质为材料来打印出仿生的细胞三维结构体，使其在接近人体内的三维环境里生长。
2 卵巢、软骨、血管等“活”的器官已经成功打印
“目前，活体器官的3D打印还处于研究阶段，而3D打印器官模型则比较成熟，其实际操作主要分三步。”杨光介绍，首先读取患者的CT影像序列，再利用3D重构技术把原本平面的CT影像“立体化”，最后用3D打印机把器官模型打印出来。
而活体组织、器官的打印，需要特殊的材料。
“其过程很像做葱油饼，不同的是做葱油饼需要铺一层面粉铺一层葱铺一层芝麻，打印组织和器官则是把材料、细胞、生长因子一层一层撒上去，最终变成肝脏、心脏、血管等。”杨光表示，3D生物打印技术具有快速性、准确性及个性化定制的特点，在医疗卫生领域有着广泛的应用前景，近年来已逐渐成为各国科学家关注的焦点。
仅去年以来，研究人员已经打印出卵巢、软骨、血管等“活”的器官，有的还在动物身上移植成功。
软骨是位于关节和脊椎之间的一种柔软的结缔组织，这种组织受到损伤之后很难修复。2016年5月，来自伦敦帝国学院的研究人员利用3D生物打印技术打印出一种特定结构，并利用这一结构来促进软骨细胞在关节内形成和生长。在打印时，研究人员在由硅和聚己内酯聚合物组成的生物玻璃中，加入一种可生物降解的墨水，最终产生这种类似软骨性质的特定结构，它可以模拟真正软骨组织的减震和承重性。不过该技术仍处在实验室测试阶段，其如何通过手术植入人体，还有待进一步研究。
2016年8月，日本佐贺大学的研究人员宣称，他们已经可以使用诱导多能干细胞来打印血管。研究人员使用0.5毫米直径细针阵列串起细胞集群，然后将其以三维的形式层积。当这些细胞聚集体熔合在一起之后，原始细胞中就会生出弹性组织，使用这种方法，研究团队创建出一个20毫米长、5毫米直径的3D打印管状结构。随后研究人员将管状结构细胞从细针上取下，内部使用培养液贯穿，数天后分化成不同种类的细胞会在内壁形成细胞层，并最终形成了血管。该研究团队希望通过这种技术来创建3D打印组织，以期在未来创建出人体皮肤等各种组织细胞。
我国在3D生物打印技术领域也没有落后。2016年12月，中组部首批“千人计划”国家特聘专家康裕建教授向全球发布消息，称其团队成功实现将3D生物打印的血管植入恒河猴体内。据了解，科研人员在实验中利用取自恒河猴自体的脂肪间充质干细胞制备3D生物打印墨汁，并应用自主研发的3D生物血管打印设备构建出具有生物活性的人工血管，再用其置换恒河猴体内一段腹主动脉。目前该研究团队已完成30只恒河猴3D生物打印血管体内植入实验，实验动物术后存活率为100%。
除此之外，科学家们还3D打印出耳朵、骨头和肌肉组织，甚至还用心肌细胞和生物材料模拟打印出了动物心脏。
3 3D打印人体器官大规模应用于临床至少还要10年
既然器官可以被打印出来，与之相关的种种技术又在不断进步，那是否意味着人类距离真正使用打印出的活体器官仅有一步之遥?
“虽然在医疗领域，3D生物打印技术已经有了许多应用，但要让这些打印器官大规模应用于临床，发挥它们应有的功能，我认为可能还需要10年以上的时间。”杨光表示。
事实上，3D生物打印人体器官的难度不仅仅在打印技术方面，还存在生物医学范畴中的一系列难题。
“首先是被打印器官的自身稳定性问题。虽然现在的3D生物打印技术已经可以打印某些器官，有些器官还被移植到了动物体内，但这些器官多是通过‘细胞+黏合剂’混合打印的，其强度能否保证在人体内也能长时间结合在一起，还有待考察。”杨光表示。
其次，人体的构造更为复杂，一些3D生物打印器官虽然已经可以被移植于动物身上，但并不意味着它们可以以同样的方式在人类的身上发挥功效。杨光称，3D生物打印技术领域还有很多人类不掌握、没有探究到的信息。即使人工器官在动物体内能正常工作，但一旦植入人体内，是否会产生毒素或是否会引发某些副作用都还是未知数，应用于临床更不能操之过急。
此外，虽然国外研究机构在3D生物打印前沿领域取得了很多突破，但要最终达到产业化和医疗应用，还为时尚早。“目前很多从事3D生物打印研究的单位往往以研究课题为主，缺少产业下游单位对接。”杨光表示，国内从事3D生物打印技术研发的团队或企业，基本上都是在金属材料或非生物非金属材料的领域，将研究重点聚焦在3D生物打印领域上的还比较少。
“我们必须看到，3D生物打印技术所涉及的学科领域众多，其发展需要不同领域的科学家、产业的企业家的合作。”杨光说，打印人体器官是涉及生命的一件大事，不能操之过急，目前还有许多研究值得去探索和进行，但未来值得期许。（记者 吴韬）
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