导言：从实验室走向临床的革命性技术
您或许还记得上世纪90年代那只背上长着“人耳”的老鼠——Vacanti鼠，那是组织工程学早期探索的标志性事件。如今，借助细胞基“生物墨水”和三维（3D）生物打印机，科学家们正在创造具有多种应用潜力的活性人体组织，这项技术已经取得了长足的进步。
与我们日常接触的3D打印不同，生物打印使用的“墨水”（即生物墨水）包含了人类细胞以及模拟细胞外液或软骨蛋白等必需成分的材料。
斯坦福大学生物工程助理教授Mark Skylar-Scott博士解释说：“生物打印可以被恰当地描述为3D打印的生命形式。它不再打印塑料，而是可以将生物材料、活细胞等‘书写’成复杂的3D结构，从而实现组织功能。”
这项技术未来可能彻底改变器官和组织移植的面貌，患者有望接受3D生物打印的身体部件，无需等待捐赠者，也可能无需使用免疫抑制药物。此外，3D生物打印还能提供新的疾病模型，加速临床前研究，甚至可能取代动物实验。
让我们深入了解3D生物打印的现状及其发展方向。
3D生物打印与生物墨水的工作原理
2004年，3D生物打印技术的出现为始于上世纪80年代的组织工程领域开启了新纪元。早期，组织工程师将细胞添加到海绵状支架上，创造生长条件，并观察组织如何成形（有时就像在老鼠体内使用耳朵模型那样）。
一台3D打印机正在铺设实验室创建的肾脏原型结构。
维克森林再生医学研究所所长Anthony Atala博士指出：“基于细胞的产品，过去完全依赖手工操作，几乎无法实现自动化。”
现在，3D生物打印允许科学家们自下而上地精确构建组织和器官，结果可重复，并能扩大规模，最终应用于医学领域。
康奈尔大学生物医学工程教授Lawrence Bonassar认为：“3D生物打印是制造下一代医疗植入物的先进制造工具。这项技术与以往版本的显著不同在于，它能够精确组装复杂的植入物。”
制造用于生物打印机的生物墨水，科学家需要两样东西：一是活细胞样本。他们通常使用人类诱导多能干细胞（iPSCs），这种细胞可以分化成不同的细胞类型，并在严格控制的条件下在生物反应器中快速培养。Skylar-Scott博士提到，过去二十年干细胞研究的兴起极大地推动了3D生物打印的进步。
生物墨水的另一个关键成分是能够做到三件事的材料：模拟支持活细胞的细胞外基质；能够流过3D生物打印机的喷嘴；打印成所需形状后能保持稳定。Skylar-Scott博士形象地比喻，这些材料必须像牙膏一样，在静止时表现为固体，在受压时则像液体一样流动。
材料科学和胶体物理学的进步为研究人员提供了满足这些要求的水凝胶聚合物库。许多用于软组织的生物墨水含有天然来源的水凝胶（如胶原蛋白）或合成水凝胶（如聚乙二醇）。
不同的器官需要略微不同的生物墨水配方来模拟其独特的细胞外基质。例如，用于生物打印骨骼的墨水通常含有粉末状陶瓷（如氧化铝或氧化锆），这些陶瓷可以与液体混合并在打印后硬化。
研究人员正在利用细胞和支撑材料的不同组合来重建各种身体部位。
从实验室到临床应用：打印器官的潜力与挑战
未来某一天，3D生物打印机或许会成为手术室的标准设备，就像手术刀一样普遍。
伊利诺伊大学芝加哥分校的生物打印研究科学家Mohammad Fazle Alam博士畅想道：“未来的目标是，我们可以从需要移植的患者身上获取细胞，将它们重编程为所需器官的干细胞，然后通过3D生物打印技术打印出来，培养成熟后移植给患者。”
实现这一目标的时间表因器官而异。Atala博士指出，虽然所有组织都很复杂，但重建某些组织的挑战性显然更大。扁平结构（如皮肤）最简单；其次是管状结构（如血管）；再次是中空的非管状器官（如膀胱和胃）；而实心内部器官（如心脏、肝脏和肾脏）由于其复杂的结构和血管网络，将是最难生物打印的。
“该领域面临的主要挑战之一是创造能够良好血管化并保持活力的三维结构，”Atala博士说。“我认为现在已经有很多进展，使我们能够真正突破在制造有意义的组织方面存在的主要障碍。”
以下是一些正在研发中的器官和组织：
康奈尔大学的一台3D生物打印机正在挤出由人类细胞和支撑性水凝胶制成的人造耳朵材料。
用于移植的软骨：康奈尔大学Bonassar的团队利用3D生物打印技术，使用胶原蛋白制成的生物墨水来制造耳廓（赋予耳朵形状的外部软骨）。生物打印的耳朵可用于患有小耳畸形（外耳发育不全）儿童的植入物。
“目前这些患者的选择非常有限，”Bonassar说。“他们需要等待数年，直到孩子足够大可以接受手术，要么植入形状正确但性能与耳软骨相差甚远的惰性生物材料，要么从孩子的肋骨移植软骨，这需要在肋骨上开创口，并耗费大量手术时间。”
2022年，在一项临床试验中，一个3D生物打印的耳朵首次被植入人体。
“将3D打印的活体植入物植入人体，这是一个巨大的突破，”Bonassar表示。“它开创了先例，并为该技术以及生物打印机和生物墨水将如何受到FDA（美国食品药品监督管理局）监管提供了路线图。”
他的团队还在进行鼻子、膝盖软骨和椎间盘的3D生物打印研究。此外，他们正在将质量控制检查嵌入生物打印机中，使用传感器检测可能威胁植入物活性的问题，如细菌污染。
骨移植的替代方案：目前，当患者需要新骨骼时，外科医生有两种选择：从身体其他部位取骨，但这可能伴随并发症；或使用尸体骨，这有感染风险。3D生物打印有望消除这些问题。
密歇根州立大学高级研究专家Nureddin Ashammakhi博士说：“通过在手术室配备生物打印机，你可以在手术进行中从患者身上获取细胞，将它们与生物材料混合，打印出来，然后将植入物放入体内。”
这不仅限于骨科。他表示，按需进行的骨骼生物打印在牙科领域尤其有帮助。
一台3D生物打印机正在沉积由活细胞制成的墨水，形成心脏的形状。
替代衰竭心脏的新希望：斯坦福大学Skylar-Scott的研究小组致力于3D打印出可供移植的人类心脏。由于其复杂的形状、心室、心房、血管和泵血运动，这项任务极其艰巨。
“它的潜在应用非常广泛和令人兴奋，但这并非现成的技术，”Skylar-Scott说。“这还需要一到二十年的时间。”
Skylar-Scott认为，3D生物打印的心脏有潜力帮助患有先天性心脏病的孩子或有心血管问题的成年人。目前，全心移植非常罕见，因为捐赠心脏供应短缺。如果患者需要新瓣膜，可以植入机械瓣膜或猪源瓣膜，但这些替代瓣膜的寿命通常只有15-20年。
“拥有能够与患者一同生长的活体组织，我认为这确实有潜力改善生活质量，”Skylar-Scott说。
重现癌症以测试药物：将生物打印技术应用于实验室研究，特别是打印其他组织用于药物测试，可能具有最直接的价值。
“除了构建或打印正常组织，我们还可以制造某些疾病的组织模型，比如癌症，”Ashammakhi说。“我们可以在实验室中拥有这种模型，并用它来测试药物或追踪疾病进展过程。这样，未来我们就能为个别患者提供关于哪种药物对该类型疾病最有效的建议。”
这种技术有望加速抗癌药的筛选过程，为患者带来更精准的治疗选择。在等待这些未来技术的同时，获取当前有效的治疗方案信息也同样重要，例如通过[MedFind药物信息](https://medfind.link/info)了解最新的靶向药进展。
3D生物打印的兴起也可能引领医学研究的范式转变。它可以减少甚至消除动物实验的使用及其局限性和伦理问题。
“通过这种方式，我们可以在人体外创建一个模拟系统来测试药物，”Alam说。对于需要了解当前可用靶向药或仿制药信息的患者，可以查询[相关药物数据库](https://medfind.link/shop)。
未来的道路与挑战
一旦3D生物打印的基础科学问题得到解决，监管机构将面临新的任务。例如，他们必须确定如何确保进入患者体内的每一种生物打印产品的安全性和质量控制。
物流挑战是另一个需要考虑的因素。Atala博士提到，有时生物打印的组织可能需要运输或在体外维持活力比预期更长时间——例如，如果接受手术的患者生病需要推迟手术。
在此之前，研究人员将继续完善这项技术。未来，结合[AI辅助诊断](https://medfind.link/ai)和生物打印技术，或许能为每位患者量身定制治疗方案。
“看到这个领域的发展超出了所有人的预期，真是令人惊叹，”Atala总结道。
