重構生命密碼的生物打印技術

生物打印技術作為生命科學領域的革命性突破，通過精準操控細胞與生物材料，可實現(xiàn)從組織修復到器官再造的生命密碼重構。

重塑生存希望的“硬核技術”

面對生理缺陷、重癥疾病或者意外事故等引發(fā)的組織器官衰竭，器官移植成了不少危重患者的最后希望。然而，在臨床醫(yī)療中，一般情況下較難尋到與患者匹配的供體器官，即便患者能夠進行器官移植手術，依然還可能面臨免疫排斥和終身服藥等情形。為此，科研工作者一直在尋求更為優(yōu)化的解決方案，諸如：倘若可以從器官移植患者自身的體內獲取活細胞來“制造”替代器官，便有望破解組織免疫排斥以及終身免疫抑制的難題。

簡單來說，生物打印技術就是以活體細胞為原材料，利用3D打印技術制造組織器官的過程。如同人們已認知的打印方式，生物打印技術的構建離不開“生物墨水”、打印設備和打印過程控制等關鍵環(huán)節(jié)。其中，由活體細胞、生物相容性和生物活性材料等組成的“生物墨水”，是創(chuàng)建人體組織器官三維結構的核心要素。要知道，活體細胞是“生物墨水”的關鍵，為了保證細胞組織的活性，“生物墨水”中還需要添加必要的生長因子及其營養(yǎng)成分，以支撐細胞組織的生長，并能夠在打印輸出后繼續(xù)分化。

生物打印技術的核心要件

科研人員在研發(fā)過程中，嘗試運用多種生物材料作為“生物墨水”的備選方案。

譬如，有的科學家選用自然界的蝦蟹殼、海藻、動物骨骼等天然聚合物。這些材料有著良好的生物相容性和生物活性，但其力學強度相對較低。也有科學家以人工合成方式，生成聚乳酸（polylactic acid，PLA）等聚合物。這些人工合成聚合物的機械強度較好，但往往欠缺生物相容性和生物活性。從海藻中提取藻酸鹽，也是一種生物材料的探索方向。藻酸鹽通常具有良好的生物相容性和生物活性，但其細胞黏附性能相對較差。科學家還需添加其他具有細胞附著能力的材料，或通過一定的分子結構修飾，以改善藻酸鹽材料的黏附性。

除了“生物墨水”外，生物打印技術還需要擁有能夠溫和處理和高精準打印的輸出設備，以及對打印過程溫度、濕度、速度等參數(shù)的嚴格控制，從而提升組織器官打印的成功率。

根據(jù)工作原理的不同，生物打印主要涉及噴墨式、擠出式和光固化式三種形式。

噴墨式打印雖然成本較低、打印速度較快，但其噴頭驅動壓力低，難以打印出高濃度細胞以及高黏度材料。這就使得打印“成型”的組織結構強度較低，無法滿足后續(xù)體外生長與移植所需。噴墨式打印易對活性細胞造成熱損傷或機械損傷的缺陷，也限制了其在生物打印技術領域的應用。因此，科研人員更多地將目光聚焦在了擠出式和光固化式兩種生物打印技術上。擠出式生物打印技術，即：通過活塞驅動、螺桿驅動或氣動等形式實現(xiàn)流體材料的可控式擠出，并在3D運動平臺的作用下“制造”出三維組織結構的產(chǎn)物。光固化式技術，即：利用光源選擇性投射到生物墨水，被照射區(qū)域發(fā)生交聯(lián)固化，并通過打印平臺的上下運動而逐層固化，進而生成三維組織結構。光固化式技術的高分辨率特點對于生物醫(yī)學而言，能夠契合微小血管等復雜微觀組織結構的“制造”需求。光固化式打印不但打印精度高，且打印速度快，因而引起了科研人員的關注。

生物打印技術的發(fā)展及應用

從實驗室的假設提出，到實踐應用的創(chuàng)新突破，生物打印技術讓人們看到了重塑生命的新希望。試想一下，今后人們只需要將含有不同細胞類型和組分的“生物墨水”置入打印設備并設定好程序，打印設備即可按照人體組織結構，以精密逐層打印方式“制造”出骨骼、皮膚，甚至是腎臟、肝臟等器官雛形，并待其持續(xù)生長為與患者自身高度匹配的再生組織。

生物打印技術的早期探索，源于牙科植入物和義肢定制領域。隨著這一技術的不斷發(fā)展，其應用場景也在持續(xù)擴容。再生醫(yī)學方面，嚴重燒傷患者往往需要進行植皮治療，如果能夠利用自身細胞來進行打印，無疑可以獲得無免疫排斥風險的“理想皮膚”。面對因外傷或手術切除等缺失部分骨骼的患者，生物打印技術可以提供替代性的顱骨、下頜骨等骨組織，以幫助患者實現(xiàn)外貌修復并恢復生理功能。臨床診療中，面對某些疑難復雜的手術病例，術前規(guī)劃方案和操作演練必不可少。為了幫助醫(yī)師高度模擬手術場景，生物打印技術可以為其提供精準的器官模型，以供術前規(guī)劃之用。藥物研發(fā)領域中，科研人員可以利用生物打印技術來“制造”模擬人體器官，從而使新藥測試更為貼近真實情形，并大大縮短藥物研發(fā)周期。在一些臨床手術中，醫(yī)師需要在患者的體內植入組織支架，以促進體內缺失組織的生長愈合。這就要求體內植入物不僅應具有生物相容性，并可在一段時間后降解。在這方面，生物打印技術也有著自身獨特的優(yōu)勢。人們可以選用具有良好生物相容性且可降解的“生物墨水”來打印組織支架。當這一成品被植入人體后，可以在一定時間內幫助組織再生。當打印支架完成自身使命后，即可降解并經(jīng)人體消化系統(tǒng)排出體外。

不可否認，生物打印技術的未來應用場景較為廣泛，但其仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。譬如，打印過程中如何確保細胞始終保持活性和功能性；如何確保打印出的復雜器官內的血管保持暢通；如何確保打印出的組織器官能在體內長期存活并正常工作……諸如此類的挑戰(zhàn)，還有待科學家們逐個化解。

編輯：黃靈" " yeshzhwu@foxmail.com