器官3D打印離我們還遠(yuǎn)嗎？

本刊記者/管浩

從“生物墨水”到“生物混凝土”，3D 生物打印是否有望成真？

在電影《王牌特工》中有這樣一個(gè)場(chǎng)景：特工哈里的頭部中槍倒地，后來(lái)被發(fā)現(xiàn)并帶回了基地?fù)尵?。救援人員先把哈里的頭包起來(lái)，再注入抗震水凝膠并用納米技術(shù)修復(fù)頭上的傷口，最后他成功復(fù)活。

“雖然對(duì)這個(gè)橋段觀眾們都吐槽有些無(wú)厘頭，這也與當(dāng)前的醫(yī)療發(fā)展情況嚴(yán)重不符，但我想，未來(lái)的臨床治療和急救場(chǎng)景一定是和電影中的一樣，是十分便攜、快速、智能、高效的?！闭憬髮W(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授表示，“到那時(shí)，在戰(zhàn)場(chǎng)、火情、抗震救災(zāi)等場(chǎng)景中，會(huì)有大量的高智能機(jī)器人手提著裝有‘生物混凝土’墨水的急救包，自主發(fā)掘傷員、分析傷員傷情及缺損結(jié)構(gòu)，并利用‘生物混凝土’墨水對(duì)缺損進(jìn)行原位打印，使傷員不錯(cuò)過(guò)最佳的救助時(shí)機(jī)?！?/p>

“生物混凝土”的提出

由于對(duì)生命延續(xù)的渴求，一直以來(lái)，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標(biāo)。生物3D 打印是醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)、組織工程、制造學(xué)、臨床試驗(yàn)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)業(yè)，沒(méi)有太多成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

從20世紀(jì)80年代到今天，3D 打印走過(guò)了—條漫長(zhǎng)的發(fā)展之路。生物3D 打印作為3D 打印的重要分支，從2000年左右被提出至今，也取得了重大進(jìn)展。

近年來(lái)，3D 生物打印技術(shù)在組織與器官再造領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)新型生物墨汁、支架等，獲得了具有一定功能性的組織和類器官，促進(jìn)了臨床前測(cè)試的體外模型和仿生植入物的制造研究，但目前多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，少數(shù)進(jìn)展到了臨床試驗(yàn)階段。

生物3D 打印過(guò)程可以分為準(zhǔn)備、處理和后期處理三個(gè)基本階段。準(zhǔn)備階段是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形軟件（如：CAD/CAM）設(shè)計(jì)出解剖學(xué)上精確的3D 模型，以及材料或生物墨水的選擇；處理階段是使用生物打印機(jī)進(jìn)行實(shí)際打印過(guò)程；后期處理是指制造的構(gòu)建體在生物反應(yīng)中的成熟及其結(jié)構(gòu)和功能表征。

其中，設(shè)計(jì)打印器官的模型與生物墨水的選擇是3D 生物打印技術(shù)的關(guān)鍵。

近日，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授團(tuán)隊(duì)（EFL團(tuán)隊(duì)），提出了全新的“生物混凝土”墨水思路。據(jù)介紹，“生物混凝土”中的“石子”組分是由高壓電場(chǎng)噴射工藝獲得載細(xì)胞的水凝膠微球，并在后續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中加入誘導(dǎo)培養(yǎng)基展開預(yù)功能化；而“水泥”組分則是直接配制的高濃度水凝膠預(yù)聚液，將二者按一定比例混合即獲得“生物混凝土”墨水。結(jié)合EFL 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)器人原位生物3D 打印系統(tǒng)，可根據(jù)患者組織缺損處的形態(tài)，直接在缺損處沉積“生物混凝土”，實(shí)現(xiàn)組織再生及修復(fù)。

目前，相關(guān)論文已在Nature Commu-nications上發(fā)表。文章中介紹，團(tuán)隊(duì)通過(guò)加入負(fù)載骨間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的“生物混凝土”墨水，成功實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物顱骨缺損的修復(fù)。賀永教授表示，絕大部分生物組織都有望利用“生物混凝土”墨水進(jìn)行不同程度的修復(fù)，并且在后續(xù)對(duì)“生物混凝土”墨水的不斷改良過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)將逐步探究對(duì)其他組織的損傷修復(fù)。

為什么我們需要生物3D 打印？

生物3D 打印分許多種，比如鈦合金關(guān)節(jié)、缺損修復(fù)的硅膠假體、活性陶瓷骨、可降解的血管支架等，但其中最重要也最受關(guān)注的，還是器官的3D 打印。

迄今為止，許多醫(yī)學(xué)難題諸如腎衰竭、惡性腫瘤等，臨床上的行之有效的治療方式仍為器官移植手術(shù)。然而，異體器官移植一直以來(lái)都存在供體不足的問(wèn)題，且配型的成功率也不高，需要器官移植的病人能做的事情只能是等待。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年大約有150 萬(wàn)人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年卻僅有約1 萬(wàn)人能得到器官移植的救治。單以腎移植手術(shù)為例，每年進(jìn)行移植的患者為3000 人，而需求者高達(dá)30 萬(wàn)人。大多數(shù)患者在等待配體的過(guò)程中病情惡化甚至離世。另外，器官移植后還存在免疫排異反應(yīng)，需要長(zhǎng)期進(jìn)行免疫抑制治療。

然而，生物3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)或?qū)⒊蔀榈却鞴僖浦不颊叩膫溆眠x擇，為組織或器官短缺的問(wèn)題提供了全新的解決方案。

生物3D 打印可以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化而來(lái)的活細(xì)胞為原料，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，從而取代功能喪失的器官或組織。目前，生物3D 打印在器官移植領(lǐng)域已取得了一定的成績(jī)，被應(yīng)用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的再生與重建。

醫(yī)學(xué)的發(fā)展依賴于社會(huì)科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，但由于醫(yī)療行業(yè)具有自身的特殊性，個(gè)性化是醫(yī)療行業(yè)不可忽視的特性。目前，醫(yī)療產(chǎn)品大都是標(biāo)準(zhǔn)化大生產(chǎn)制造品，只有少量固定規(guī)格，無(wú)法滿足患者個(gè)性化需求，生物3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)也為臨床醫(yī)學(xué)提供了嶄新的空間和無(wú)限的可能。

經(jīng)過(guò)了近20年的高速發(fā)展，生物3D 打印技術(shù)已日趨成熟，也給醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展許諾了一個(gè)美好的未來(lái)，但即便如此，筆者認(rèn)為，想要達(dá)到最初的器官打印的設(shè)想或許還有很長(zhǎng)的路要走。