3D打印“活骨头”

3D打印“活骨头”

□那 拉

如今人类已将3D打印技术的应用延伸到了外太空。在空间站安装3D打印机，宇航员就可以随时设计打印出急需的个性化工具，这就像在外星球开了间“五金店”，大大地方便了人类对外太空的探索。早前，欧洲空间局(ESA)更大胆地提出，要在月球——地球唯一的“天体卫星”上建立一个“3D打印村”，到2030年-2050年，那里会入住1000名左右的“月亮公民”——定居在那里的人类。

如果人类真的实现了这个梦想，或许还有更多的地方需要用到3D打印技术。比如3D打印的生物应用。

我们早就不满足于仅仅打印玩具、建筑，用3D技术打印出义肢甚至人体器官，一直是很多科学家的追求。但3D打印出来的人工组织如何能完美地与活生生的肉体相结合，成为“活物”，却是个攻关难题。

早前，中国科学院深圳先进技术研究院通过生物打印优化设计及诱导型生物墨水的研发，成功构筑精确排布成骨细胞的“活”人工骨组织，在三维生物打印制造人工类组织领域取得新进展。而放眼全球，也有不少3D打印的物件真的“活”了起来。

　　3D生物打印构建“活”人工骨组织模拟图

打印出“活”的人工骨组织

中国科学院深圳先进技术研究院医药所人体组织与器官退行性研究中心阮长顺副研究员、潘浩波研究员与吕维加教授研究团队所制造的“活”人工骨，不仅维持细胞短时间的高存活率（24小时内大于95%），还能实现细胞长时间的体内外功能化，促进新骨再生。此项研究成果已发表在权威刊物《先进科学》上。

将成体细胞或干细胞与生物材料复合作为生物打印墨水，制造具有功能的人工组织与器官是组织修复再生的研究热点和发展趋势。然而，如何维持通过三维打印后活体细胞的短期活性，并实现三维打印人工类组织在体内外的长期功能化，是限制三维生物制造研究应用的瓶颈之一。阮长顺所在课题组一直从事三维生物打印及生物材料墨水的相关研究，先后探索过生物材料降解性能调控细胞行为和三维打印构建高强度纳米复合水凝胶的人工骨组织研究。本研究中，团队成功搭建了一种多通道、常温成形的三维生物制备系统。

基于该平台，通过材料优化构建，实现以活性的高强度水凝胶/纳米硅镁盐复合生物墨水构建稳固的骨修复支架支撑体系（第一通道）和以生物相容性优异的透明质酸包裹均匀分散的成骨细胞为维持细胞存活体系（第二通道）。这两通道交替打印，即能实现含细胞的“活”人工骨组织。前期，透明质酸提供细胞保护，维持高细胞存活率和精确排布。后期，支撑体系控释骨修复活性离子（镁、硅离子等），促进细胞分化和功能化。

通过进一步体内动物实验证实，该“活”的类骨组织，不仅具有在骨缺损部位优异修复能力，还能实现异位新骨生成。因此，该研究将推动三维生物制造技术在组织修复再生中的应用。

　　医生使用的生物3D打印机

专用于3D打印的“生物墨水”

要成功完成一件3D打印组织，最关键的的确是“墨水”。打印一座建筑物，打印“墨水”是一些特殊的水泥材质；打印运动鞋，使用的是一种特殊的橡胶“墨水”；打印一块饼干，也得使用可以吃的食材“墨水”……科学家们早就已经可以用特殊的3D打印机打印出精确成形的人体组织形状，但真正的人体组织是由细胞组成，这些细胞本身并不具备3D打印特性，它不能直接从3D打印机的喷嘴中挤出来，所以3D打印人体组织，就需要一些特殊物质来辅助完成——即用一种特殊的“生物墨水”和细胞混合，才能最终打印出“活”的“细胞组织”。

在中科院取得此次进展之前，关于用于生物组织的3D打印生物墨水，一直也是许多科学家的重点科研项目。

2016年，德国慕尼黑技术大学的学生曾成功改造Ultimaker 2+型3D打印机，开发出一种专门用于3D打印的生物墨水，该生物墨水含有生物素和链霉素，团队把它命名为“biotINK”。biotINK就像是一种“分子强力胶”，能将生物素和受体结合起来，使“三维细胞间的交流和生理微环境”能够更快形成。研究人员认为，这种生物墨水可以与其他需要临时支架来支持有机结构的3D生物打印技术完美融合。

　　3D打印出的颌骨（左）与耳朵（右）

美国哈佛大学Wyss研究所在“生物墨水”的研究方面也颇有建树，2014年该研究所的Jennifer A. Lewis实验室便宣布发明了一种3D打印方法，可以打印出布满血管，由多种细胞和细胞间质组成的组织。为此，他们开发了三种不同的“生物墨水”：固定细胞的细胞间质“墨水”；细胞间质和特定细胞混合成的“墨水”；为了生成血管而特制的“墨水”，这种墨水有一种特殊的性质，在低温的条件下会自动融解。他们使用这三种“墨水”在特定的程序下打印完毕后，将打印成品的人工组织置于低温条件下，那些为血管预留的位置就会逐渐融化开来，剩下的就是布满各种管道的组织，然后他们在这些管道中注入血管内皮细胞，这些细胞就会附着在通道内壁，重新发育成成熟的血管。至此，一个模拟人体组织的人工组织便形成了。Lewis等人的目标是能打印出可以用于人体移植的器官，为此他们还在探索中。

据国际知名的征询和市场调研公司沃勒斯（Wohlers Associates）统计，3D生物打印市场规模正在激增，预计到2022年，它在医疗行业的市场需求将从2014年的5亿美元成交额增至18亿美元。而各高校和科研院所的尖端研究，正在催生一场由3D生物打印引领的医疗革命。

干细胞技术引入3D打印

“生物墨水”的功能正变得越来越强大，各国研究人员因此拥有了更多想象空间。他们想要打印出更多人体器官，甚至是大脑、心脏、肝脏等重要部位。

来自美国卡内基梅隆大学的Adam W. Feinberg研究团队称，他们已经能够利用冠状动脉的MRI影像以及胚胎心脏的3D图像，通过3D生物打印，以较高的分辨率和质量，将胶原蛋白、海藻酸盐和纤维蛋白等软材料，打印成无生物活性的动脉等。2015年10月他们的3D打印研究成果已刊登在《科学进展》上。该研究团队称，他们会把心脏细胞纳入这些3D打印组织结构，希望利用这个支架的帮助人工心脏形成具有收缩能力的肌肉。

　　干细胞引入3D打印，可以直接“画”出骨头 （资料图片）

美国加州大学圣迭戈分校的Shaochen Chen教授则带领团队，利用3D生物打印设备，使用了诱导多功能干细胞（iPSCs）、诱导脂肪源干细胞和脐静脉内皮细胞联合，打印出了模拟的人工肝脏。他们的研究论文刊发在《PNAS》杂志上上。

在中科院研深圳先进技术研究院研发出“活”的人工骨头后，相信还会有更多“活”的人工组织能被打印出来，并用于现代医疗，为人类的医疗前景拓展更多新思路。

早前，澳大利亚伍伦贡大学的一个研究团队还将干细胞技术引入了3D打印生物组织的领域。他们联合墨尔本St. Vincent‘s医院联合开发了一台引领3D打印新变革的打印机3Doodler，外科医生可以用这支笔将细胞直接“画”在受伤的骨头或者软骨上，以快速便捷地完成修复手术。据说目前3Doodler的临床试验中，打印出来的细胞存活率竟高达97%以上。这又给该领域带来更多可能，因为干细胞在合适的条件下还会增殖，并分化成神经细胞、肌肉细胞和成骨细胞，最终形成新的组织。

期待研究人员给我们带来更多好消息。