3D打印器官組織模型并非難事，但要想打印出具有生物活性的器官組織卻不簡單。不過，美國維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所最新研發(fā)出的改進(jìn)版3D生物打印機(jī)或許可以化繁為簡。
該校研發(fā)的“一體式組織?器官打印系統(tǒng)”（ITOP）可以在打印出的組織內(nèi)部構(gòu)造微型通道。在器官的初步成長中，這些微型通道可以提供血管的功能，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和氧分子抵達(dá)器官內(nèi)部的細(xì)胞。
“這一打印機(jī)可以制造出穩(wěn)定、符合人體尺寸的任何形狀的組織。未來，這一技術(shù)將可以打印活體組織和器官結(jié)構(gòu)，用于器官移植手術(shù)�！表�(xiàng)目負(fù)責(zé)人安東尼?阿塔拉說。
不過，微通道離真正意義上的血管還有很大距離，但I(xiàn)TOP的各種技術(shù)突破仍然給3D生物打印帶來更多思路。
多項(xiàng)技術(shù)獲突破
3D生物打印機(jī)是一種以生成具有功能性的組織和器官為目標(biāo)，可以按分層圖樣打印細(xì)胞的機(jī)器。然而，很多此類產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)上都不穩(wěn)定，以至于無法進(jìn)行手術(shù)植入。另外，由于很多打印產(chǎn)物缺乏血管，它們的大小受到營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散限制，所以只能做到200微米左右，這樣的尺寸對于制作人體組織和器官來說都實(shí)在太小。
阿塔拉研究團(tuán)隊(duì)為解決上述問題，把細(xì)胞和可生物降解的聚合物材料一起打印，聚合物材料在新形成的組織成熟之前，提供了機(jī)械強(qiáng)度。為了克服尺寸限制從而打印出足夠大的組織，研究團(tuán)隊(duì)還在打印構(gòu)建體的設(shè)計中融合了微通道，這樣養(yǎng)分和氧氣可以輸送到打印出的結(jié)構(gòu)中任何部位的細(xì)胞中。
在中國科學(xué)院物理研究所?重慶大學(xué)生物3-D打印聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人劉靂宇看來，ITOP最突出的優(yōu)勢就是集中整個打印過程于一體，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞與骨架的同時打印。
“現(xiàn)在3D生物打印是先打出結(jié)構(gòu)，再注入細(xì)胞，而ITOP可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞合并材料的同時打印，并保證了細(xì)胞的存活性。這樣的話，整個結(jié)構(gòu)就成為一個動態(tài)的活性結(jié)構(gòu)，細(xì)胞會在里面不停地生長，并最終發(fā)展成我們所設(shè)計的器官或組織的樣子，這是一個很大的突破�！眲㈧Z宇對《中國科學(xué)報》記者分析稱。
為了測試打印效果，研究團(tuán)隊(duì)將3D打印的“耳朵”植入在小白鼠皮下，兩個月后，植入的耳朵不僅保持形狀，還生成了適當(dāng)?shù)能浌墙M織。而另一部分打印并移植的肌肉組織，僅用了兩周時間，就在小白鼠體內(nèi)引起神經(jīng)形成。
在劉靂宇看來，沒有生物活性就不是真正意義上的生物打印。ITOP利用構(gòu)造出的微管道來為細(xì)胞存活提供必需的養(yǎng)分，并從臨床上證明了其打印出來的結(jié)構(gòu)具備生物兼容性，不會有排異反應(yīng)，這是一個令人振奮的成果。
不僅如此，劉靂宇還表示，利用已有成像技術(shù)3D掃描形成打印所需數(shù)字模板、多噴頭協(xié)同工作、利用不同打印方式和培養(yǎng)環(huán)境來控制細(xì)胞分化和組織，這些都是ITOP對比現(xiàn)有3D生物打印所具備的強(qiáng)勁特色。
血管打印是難點(diǎn)
雖然研究人員在試驗(yàn)中使用人類細(xì)胞及兔子、老鼠等動物的細(xì)胞進(jìn)行人造器官組織打印，都取得了不錯的效果，但正如阿塔拉所述：“目前，這項(xiàng)技術(shù)還處于早期試驗(yàn)階段，須進(jìn)一步改善�！�
重慶大學(xué)教授劉如川表示，ITOP只是嘗試了幾類組織/器官的打印，雖然在一定程度上利用了細(xì)胞自發(fā)行為，并知道這幾類組織/器官3D打印及后續(xù)培養(yǎng)條件，但沒有完全掌控其中的細(xì)胞分化或組織機(jī)制，對于其他組織/器官仍需大量實(shí)驗(yàn)摸索條件。
另外，ITOP只是打印出了一些微通道，并沒有涉及到組織/器官中所需的血管的打印，離真正意義上的血管/毛細(xì)血管還有艱難的一大步要走。
“血管有很多功能，第一要有彈性，第二能夠交換很多營養(yǎng)和物質(zhì)，所以血管打印是一個難點(diǎn)�！眲⑷绱ㄕf，“文章中雖然粗淺地提到有血管生成，但是不是水凝膠材料能夠誘導(dǎo)血管生長，目前并不確定。”
不僅如此，劉如川稱，ITOP還沒有涉及到心臟（及其他循環(huán)系統(tǒng)中的組織）、大腦（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、呼吸系統(tǒng)中的肺泡等，所有這些都與管道、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，也是3D生物打印的終極目標(biāo)，ITOP要想摘得3D生物打印的“皇冠”還很困難。
中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長周功耀對此也持謹(jǐn)慎態(tài)度。他表示，生物技術(shù)領(lǐng)域還有很多人類沒能掌握、沒有探究到的信息。即使人工器官在體外功能正常，一旦植入體內(nèi)，是否能運(yùn)作、是否產(chǎn)生毒素以及有哪些副作用目前都不得而知。
“人體系統(tǒng)非常復(fù)雜，不到萬不得已不能用有限技術(shù)制成的器官去對接無限復(fù)雜的人體系統(tǒng)，應(yīng)對生命是3D生物打印發(fā)展的第一大困難。”周功耀說，“3D生物打印的一些前瞻性研究和個體實(shí)例出現(xiàn)是好事，但在植入人體前還要做大量實(shí)驗(yàn)、積累并分析大量數(shù)據(jù)，要做的事情還有很多�！�
路徑探索
當(dāng)前，3D生物打印主要應(yīng)用于打印心臟、肝、腎等手術(shù)對照模型，但在大多數(shù)專家看來，面向植入生物體的生物兼容性材料，或者以細(xì)胞為材料的打印技術(shù)，才算得上真正意義上的3D生物打印。
“3D生物打印能否取得突破關(guān)鍵取決于材料。”劉靂宇將大部分精力集中到材料研究上，在他看來，3D生物打印的材料決定了細(xì)胞在里面到底能夠存活多久，“目前研究人員大多集中在水凝膠材料上，其實(shí)最理想的材料是長完之后不會留任何殘余，而是跟人體完全融合的材料�！�
中國科學(xué)院動物研究所研究員趙同標(biāo)則對《中國科學(xué)報》記者表示，細(xì)胞來源也是3D生物打印非常重要的方面。成體干細(xì)胞將是主要方向，而不能去用一些末端成熟的細(xì)胞。成體干細(xì)胞在生物材料上還能繼續(xù)發(fā)育分化，形成末端成熟的細(xì)胞與組織器官一致，如果應(yīng)用于人體內(nèi)，很可能會形成統(tǒng)一的功能整合體。
另外，如何像上帝之手一樣設(shè)計器官，并控制細(xì)胞長成我們精準(zhǔn)預(yù)料的器官，也是3D生物打印未來的突破點(diǎn)�！斑@就像蒸饅頭，雖然做的時候是一個小點(diǎn)，但蒸出來的饅頭要跟我想象的大小、形狀一模一樣，這就是難點(diǎn)。”劉靂宇形象地比喻。
劉靂宇表示，未來，3D生物打印更多的是要與臨床相結(jié)合用于疾病的治療，組織修復(fù)無疑是其大方向之一。除此之外，利用3D打印在體外做出個體病人病變組織模型，來進(jìn)行病變機(jī)制研究（比如癌癥侵襲及預(yù)測）、藥物嘗試篩選等，實(shí)現(xiàn)針對不同個體的精準(zhǔn)醫(yī)療，也將是主要研究方向。
“3D生物打印跟其他打印不一樣，未來不一定要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，而是更趨向于個體化、精準(zhǔn)化，因此不需要在成本上太過糾結(jié)。當(dāng)然它一定要安全和有效，因?yàn)樗说纳⑾⑾嚓P(guān)�！眲㈧Z宇補(bǔ)充道。
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