Post by 橡皮泥 on 2016-03-02
最近 Nature Biotechnology 的一篇报道显示，美国科研人员首次 3D 打印出具备移植条件的生物组织。这些生物组织由活细胞构，而且体积够大、形状稳定。美国维克森林大学再生医学研究所的研究人员，自己研制出生物 3D 打印机，打印了耳朵、骨头、肌肉等人体组织，并移植到老鼠身上进行了测试。
据橡皮泥了解，3D打印生物或者医疗模型并非难事，但要想打印出具有生物活性的器官组织却并不简单。通常，器官在植入人体前还要做大量实验、积累并分析大量数据，要做的事情还有很多。不过，这台由美国维克森林大学再生医学研究所最新研制出的新型生物3D打印机或许可以让问题变得简单。
该校研发的“一体式组织—器官打印系统”（ITOP）可以在打印出的组织内部构造微型通道。在器官的初步成长中，这些微型通道可以提供血管的功能，使营养物质和氧分子抵达器官内部的细胞。
科学家把打印的组织移植到了老鼠的皮肤下，2 个月后，耳朵的形状依旧在，软骨组织也形成了。肌肉移植到老鼠 2 周后，神经形成。使用人骨干细胞打印的骨骼植入后，过了 5 个月观察到了血管系统形成。
“这一打印机可以制造出稳定、符合人体尺寸的任何形状的组织。未来，这一技术将可以打印活体组织和器官结构，用于器官移植手术。”项目负责人安东尼·阿塔拉说。
（图片由美国维克森林大学再生医学研究所提供）
不过，要让生物3D打印技术真正商业化，成功进入临床应用，微通道离真正意义上的血管还有很大距离。之前研究 3D 打印器官也不少，但打印出的组织都不够稳定，太简单或者太小，移植前细胞也都死了。此次，维克森林大学打印出具备移植条件的活体组织，显然是个重大突破。假如这项技术成熟，未来在伤残人士康复等方面具有广阔的应用前景。美国军方也为这项研究提供了部分资金支持，想必军方也希望这项技术在军事领域有所应用。但ITOP的各种技术突破仍然给3D生物打印带来更多思路。
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多项突破
3D生物打印机是一种以生成具有功能性的组织和器官为目标，可以按分层图样打印细胞的机器。然而，很多此类产物在结构上都不稳定，以至于无法进行手术植入。另外，由于很多打印产物缺乏血管，它们的大小受到营养物质和氧气的扩散限制，所以只能做到200微米左右，这样的尺寸对于制作人体组织和器官来说都实在太小。
阿塔拉研究团队为解决上述问题，把细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组织成熟之前，提供了机械强度。为了克服尺寸限制从而打印出足够大的组织，研究团队还在打印构建体的设计中融合了微通道，这样养分和氧气可以输送到打印出的结构中任何部位的细胞中。
阿塔拉团队的生物打印机以逐层堆叠凝胶和类塑料材料的方式打印，在凝胶颗粒内包含活体细胞，而类塑料材料可以被生物降解。为了让打印的器官保持形状，打印时添加一个高分子化合物外壳作为临时的支撑。整个打印过程经过了仔细地校准和调试，从而保证细胞到移植手术时还能够存活。移植到器官中后，类塑料材料会逐渐被降解，于此同时，细胞结构互相起到支持作用。然后，细胞会以一种新的方式重新组合，构成可以稳定存在的形状。目前，这项技术已经在老鼠体内进行了测试。
难点依旧
技术的进步总是让人们充满期待而又怀有淡淡的不满足。虽然科学家在试验中使用人类细胞及兔子、老鼠等动物的细胞进行人造器官组织打印，都取得了不错的效果，但正如他们所说的：“目前，这项技术还处于早期试验阶段，须进一步改善。”
未来之路
目前，3D生物打印主要应用于打印心脏、肝、肾等手术对照模型，但在大多数专家看来，面向植入生物体的生物兼容性材料，或者以细胞和生物组织为材料，并能够成功应用于临床，才算得上真正意义上的3D生物打印。
3D生物打印能否取得突破关键取决于材料。而材料是否试用，取决于：细胞在3D打印的基体材料里能存活多久，是否有生物相容性，以及材料在人体植入后是否有残留。
在未来，基于人体数据的高度个性化，3D生物打印在临床修复的应用无疑是其大方向之一。同时，利用3D打印在体外做出个体病人病变组织模型，针对个性化的病例，来进行癌症等病变机制研究、药物尝试筛选等，实现针对不同个体的精准医疗，也将是主要研究方向。
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