肝腎器官15年后或可3D打印實現移植

蔡明

活體腎臟移植排隊要等多久？醫學實驗室如何有效教學？制藥研發必須使用動物或人體試驗嗎？

日前，來自杭州電子科技大學的科學團隊自主研發出一臺生物材料3D打印機。通過這臺打印機，使用水凝膠及人體活細胞作為材料，已經成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝臟單元、腎臟單元、血管……甚至人臉。

科學家預計未來10-15年，打印活體“肝”、“腎”并進行移植將有望推廣。屆時，人類益壽延年并非南柯一夢。

活細胞存活率達90%

這臺通體黑色，重達50公斤，一臺縫紉機大小名叫“Regenovo”的機器，打印的就是人類耳朵軟骨組織，構成肝臟的肝單元組織、血管等。這臺打印機“干活”非常迅速，打印一個比例稍小的耳朵或鼻子只需半小時到1小時，一張手心大小的人類臉部面具，大約只需4小時，耗費的水凝膠材料也不過50毫升。

“Regenovo”的主要開發者杭州電子科技大學生命信息與儀器工程學院教授徐銘恩把水凝膠和人體活細胞比作“搭金字塔”的磚與水泥。除了活細胞，“Regenovo”還可使用多種生物材料。此前，徐銘恩的團隊將用它打印出骨骼支架用在小鼠的大腿外側實驗，生物材料降解后，產生許多軟骨，獲得成功。來自浙江大學、解放軍117醫院等多位教授對“Regenovo”進行鑒定。這份鑒定報告讓徐銘恩與他的團隊被外界關注。這份報告稱，與國際同類的生物3D打印機相比，“Regenovo”不僅率先實現無菌條件下的生物材料和細胞3D打印，新型的溫控單元和打印噴頭設計，能夠支持從-5℃到260℃熔融的多種生物材料打印。同時，打印出的人體活細胞有著高達90%的存活率。目前打印的活細胞存活時間最長為4個月。

造“活器官”不再是夢

在從2000年就開始從事生物醫學工程研究的徐銘恩看來，生物3D打印屬于生物制造的概念范疇，生物制造就是以先進制造技術去解決生命科學和醫學中的問題。我國在生物制造領域一直處于世界前列水平，清華大學的顏永年教授是這一領域的先驅。

徐銘恩認為，當3D打印與醫學影像建模、與仿真技術結合后，能夠在人工假體、植入體、人工組織器官制造方面產生巨大推動效應。比如假牙和假肢的應用，能根據每個人的特定情況“量身定做”。在目前技術發展下，未來15-20年，人類有可能擁有一個自身細胞打印的肝臟器官用于移植。

目前精度還不夠

盡管活細胞打印，開啟了人類打印器官組織的研究活動，但從實驗室到真正醫療運用，乃至器官移植仍需要時間。“主要是精度還不夠”，徐銘恩說，用“Regenovo”打印的肝單元結構，比普通細胞大五倍。“這好比電腦屏幕的分辨率，生物3D打印的細胞比正常細胞要粗糙5倍。”而且，人類對細胞認識與研究還不夠，可供3D打印的細胞種類仍不多。

腎臟打印全過程

在實驗室里，一張普通桌子上，擺放著純黑色的生物3D打印機主機。生物打印主機長、寬、高分別是64厘米、50厘米、70厘米。跟此前的制造型3D打印機不同，生物3D打印機還有一個黑色“上行機”，兩者加起來的體重是50公斤。此外，生物3D打印機主機的噴口僅有80微米，以此保持精準度。

通過掃描在電腦中形成以三維設計模型為基礎的成像“圖紙”，然后3D打印機再通過分層離散和數控成型的方法用活細胞與水凝膠來搭建器官。搭建完畢后，打印出來后的細胞支架還要進行進一步的細胞培養，誘導形成具有功能的組織和器官，最后，完成歷史使命的水凝膠也會降解。

在打印過程中，從細小的噴頭里會擠出肉眼仔細觀察才能看到的含有活性細胞的水凝膠。就像擠奶油拉花一樣，纖細的水凝膠從噴頭噴出，在機器作用下，一層又一層地有序排列。剛出來的水凝膠是半透明的，隨著一層層疊加，最后逐漸顯現出象牙色的器官組織形狀。打印完后，用手輕觸迷你的腎組織，感覺很有彈性。按照目前技術，打印的活體組織與血管不能同時形成。與大多數人想象的活體器官不一樣，打印器官沒有血色，也沒有血管和神經。

人類益壽延年并非南柯一夢

有人猜測如果生物打印跟細胞精度有關，未來是不是可以像科幻片一樣，打印出超出人類精度的組織，甚至是超人。對此徐銘恩稱認為不太可能，因為細胞是從人體內提取的。

徐銘恩稱從秦始皇到現在，人類都在追求永生。從群體的角度來講，沒有死亡是非常可怕的一件事。這意味著沒有了競爭。從個體角度而言，這是人人需面對的。徐銘恩認為，通過努力，在他們這代人有生之年，實現人類壽命延長，還是可以實現的。