3D打印器官何时能成为现实？

2022年，在得克萨斯州圣安东尼奥市，Arturo Bonilla 博士为一名先天性无耳的20岁女性植入了外耳。女人右侧的耳朵是按照她左侧的大小和形状定制的。 Bonilla是一名小儿畸形外科医生，治疗先天性耳朵缺陷具有超过25年的经验，是该领域公认的专家。和以往的手术不同，此次手术中他植入耳朵是使用女性自身软骨细胞进行3D生物打印制造的。



从想法的萌芽再到实际科学，3D 生物打印正在医学研究的各个方面取得进展，已经不仅仅局限在研究中了，还逐步迈向了时间。尽管步伐还十分缓慢，距离一些最雄心勃勃的3D计划的目标还有几十年，但这种进步是真真实实存在的。

以色列特拉维夫大学组织工程和再生医学主任Tal Dvir说：“我认为在10年内我们将拥有可移植的器官，从简单的器官开始，如皮肤和软骨，然后转向更复杂的组织，最终是心脏、肝脏、肾脏。”

3D生物打印的未来
这听起来很梦幻，但它已经在发生了。多层皮肤、骨骼、肌肉结构、 血管、视网膜组织甚至微型器官都已被3D打印了出来。虽然尚未批准任何打印产品供人类使用，但这些研究仍然令人叹为观止。上文提到的Bonilla的耳朵手术是第一个将活细胞植入人体的3D生物打印，具有里程碑式的意义。

波兰的研究人员生物打印了胰腺的功能原型，在观察的两周内，猪的血液流动稳定。United Therapeutics Corporation 已经 3D 打印了一个带有 4,000 km的毛细血管和 2 亿个肺泡（微小气囊）的人肺支架，这些肺泡能够在动物模型中进行氧气交换，标志着创造可耐受、可移植的人肺迈出的关键一步。

在维克森林大学再生医学研究所，科学家们开发了一种移动皮肤生物打印系统。在不久的将来，他们预计能够将打印机直接用于患有未愈合伤口（例如烧伤）的患者身上，通过扫描并测量伤口区域和3D打印皮肤、层逐层制造直接涂抹于创面。研究者们还更深入地研究了 3D 打印的骨骼肌结构，证明可以在啮齿动物中收缩，并在八周内恢复腿前部肌肉先前失去的 80% 以上的肌肉功能。

Dvir 自己的实验室已经制作出一颗 3D 打印的“兔子大小”的心脏，心脏包含了细胞、腔室、主要血管和心跳。教授指出，完整的人类心脏需要相同的基本技术，尽管放大的过程非常复杂。

3D 生物打印的工作原理


△多层皮肤、骨骼、肌肉结构、血管、视网膜组织甚至微型器官都已被 3D 打印出来，但尚无批准供人类使用。

3D 打印人体器官是一个令人震惊的概念。根据联邦卫生资源和服务管理局的数据，目前有将近106,000 名美国人在器官捐赠的等待名单上，每天有 17 人在等待期间死亡。使用患者自身细胞培养器官的 3D 打印过程不仅可能会减少等待名单，而且会大大降低器官排斥的几率，并可能消除对有害的终生免疫抑制药物的需求。

斯坦福大学生物工程系助理教授 Mark Skylar-Scott 说：“将不同细胞类型放置在精确位置以构建复杂组织的能力，以及整合血管的能力，这些血管可以输送必要的氧气和营养物质以保持细胞存活，这两种 (3D) 技术正在彻底改变组织工程， 在过去的二十年里，该领域发展非常迅速，从打印的膀胱到现在具有可以连接到泵的血管的高度细胞化组织，以及类似于具有集成心脏细胞的心脏组件的复杂3D模型。 ”

在3D生物打印中，使用的材料是细胞。该过程首先生成研究人员想要进行生物打印的细胞，然后将细胞制成可打印的活墨水或生物墨水，包括将它们与明胶或藻酸盐等材料混合，使它们具有牙膏般的稠度。斯坦福大学的实验室正在研究，如果干细胞以高密度挤在一起，如何自然地形成这种一致性，如果这个问题得到了解决，那么3D打印器官可以完全由患者自己的细胞制成。

实际的3D生物打印过程就是生物墨水被装入注射器中，然后从喷嘴中挤出，它通常涉及放置不同的细胞类型，每种细胞类型都加载到不同的喷嘴中。一旦完成，组织会连接到一个泵上，驱动氧气和营养物质通过它，随着时间的推移，组织会自行发育并增加成熟度和功能。Bonilla 说：“与任何研究一样，未来的患者可能会进行迭代，以尝试改进这项技术，我们不确定这何时会成为主要治疗方法，但未来非常令人兴奋。”

3D打印的优势


△3D 生物打印使科学家能够更精确地设计组织。

多年来，维克森林大学的科学家一直在实验室培育器官和组织。他们使用 3D 打印在实验室中创建了一个微型肾脏和一个微型肝脏。下一个挑战：能够更充分地模拟器官功能的更大、更坚固的结构。“我们远未在器官规模上实现这一目标，”哈佛大学 Wyss 生物启发工程教授 Jennifer Lewis 说。

维克森林研究所创始主任安东尼·阿塔拉 (Anthony Atala) 说：“我们已经能够打印出皮肤等扁平结构、血管等管状结构或膀胱等中空非管状器官，较大的实体器官是不同的，血管分布和所需营养都是不同的。”科学家们已经能够从干细胞中创造出心脏细胞，但它的跳动强度不如人类的心脏细胞。肝细胞（代谢）和肾细胞（滤液摄取）也是如此。在某些方面，3D生物打印领域正在等待基础生物学家取得重大突破。

大多数研究人员认为全尺寸3D 打印人体器官移植可能会在20到30年之后实现。Dvir 说：”展望未来，人类将不需要捐赠者的心脏或肝脏，这是我的看法，我对3D打印器官持有乐观的态度，这是科学的发展趋势。“