3D打印人体器官将如何彻底改变医学

一台意式浓缩咖啡机大小的机器静静地运转起来。这台机器里装的不是新鲜、浓烈的咖啡渣，而是一勺勺不透明的无菌粘稠物。它的机械臂动作敏捷：悬停、放下，然后重新定位一对注射器，将其放在六个培养皿上。它们快速喷出乳白色的糊状物。很快，每个培养皿中都形成了三个小六边形。几分钟后，六边形长成指甲盖大小的蜂窝状结构。这里的人近期内都喝不到拿铁了。

Organovo 首席技术官 Sharon Presnell 表示，这些蜂窝状结构是人类肝脏，或者至少是肝脏的基础。这些微小的生物医学工程杰作与真实人类肝脏的组织样本几乎完全相同，它们是由真实的人类细胞构成的。但 Organovo 占地 15,000 平方英尺的总部里的科学家们不是培育它们，而是打印它们，就像打印文件一样。或者更准确地说，就像打印比例模型一样。

二十年来，3D 打印从一种小众制造工艺发展成为价值 27 亿美元的产业，用于制造各种物品：玩具、手表、飞机部件、食品。如今，科学家正致力于将类似的 3D 打印技术应用于医学领域，加速同样巨大的变革。但与用活细胞打印相比，用塑料、金属或巧克力打印有很大不同，也容易得多。

“从某些方面来说，这是一场艰苦的跋涉，但我们正处于一个转折点，”DEKA 研究与开发公司创始人 Dean Kamen 说道，他拥有 440 多项专利，其中许多是医疗设备专利。在世界各地的实验室中，生物工程师已经开始打印原型人体部位：心脏瓣膜、耳朵、人造骨、关节、半月板、血管和皮肤移植物。“如果你有圆规和直尺，你画的任何东西都是一个方框或一个圆圈，”Kamen 说道。“当你有了更好的工具，你就会开始以不同的方式思考。我们现在有能力发挥以前无法达到的水平。”

从 2008 年到 2011 年，提及生物打印的科学论文数量几乎增加了两倍。该领域的投资也大幅增加。自 2007 年以来，美国国立卫生研究院的国家心肺血液研究所已向生物打印项目拨款 60 万美元。去年，Organovo 筹集了 2470 万美元的股权。

推动这一趋势的因素有三个：更先进的打印机、再生医学的进步以及更完善的 CAD 软件。25 岁的系统工程师 Vivian Gorgen 只需用鼠标单击“运行程序”即可在 Organovo 打印肝脏组织。蜂窝状的肝脏组织距离完全功能化的器官还有很长的路要走，但这是朝着这个方向迈出的切实的一步。“我相信，在我有生之年，就能实现一整套即插即用的盒装器官，”Presnell 说。“我迫不及待地想看看像 Vivian 这样的人会做些什么。潜力是无可限量的。”

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最早的生物打印机并不昂贵或花哨。它们看起来就像廉价的台式打印机，因为事实上它们就是台式打印机。2000 年，自称“生物打印之父”的生物工程师托马斯·博兰 (Thomas Boland) 在克莱姆森大学的实验室里看到了一台旧的 Lexmark 打印机。科学家们已经改造了喷墨打印机来打印 DNA 片段，以研究基因表达。博兰想，如果喷墨打印机可以打印基因，那么同样的硬件也许可以打印其他生物材料。毕竟，最小的人类细胞是 10 微米，大约是标准墨滴的尺寸。

博兰德将利盟墨盒倒空，然后往里面注入胶原蛋白。然后，他将一张薄薄的黑色硅片粘在空白纸上，并送入打印机。他在电脑上打开一个 Word 文档，输入姓名首字母，然后点击打印。纸张卷轴上用灰白色蛋白质清晰地勾勒出“TB”的轮廓。

到 2000 年，博兰德和他的团队重新配置了惠普 DeskJet 550C 打印机，用大肠杆菌进行打印。然后他们开始研究更大的哺乳动物细胞，这些细胞来自中国仓鼠和实验室大鼠。打印后，90% 的细胞仍然存活，这意味着该产品是有用的，而不仅仅是艺术品。2003 年，博兰德申请了第一个打印细胞的专利。

当博兰德的实验室解决生物打印问题时，其他工程师将 3D 打印机应用于不同的医疗挑战。他们用陶瓷打印骨移植物，用瓷器打印牙冠，用丙烯酸打印助听器，用聚合物打印假肢。但这些工程师拥有博兰德和他的同事所没有的优势：他们可以进行三维打印，而不仅仅是二维打印。

因此，博兰德和其他生物打印先驱们改造了他们的打印机。他们关闭了喷墨打印机的送纸装置，并增加了一个由步进电机控制的升降机式平台；该平台可以沿 z 轴向上或向下移动。实验室可以打印一层细胞，降低平台，再打印另一层。突然之间，生物工程师们从在平面画布上描绘生命变成了建造活雕塑。

“这就像魔术一样，”维克弗斯特再生医学研究所的研究员詹姆斯·尤说道，他正在开发一种便携式打印机，用于将皮肤直接移植到烧伤患者身上。三维打印细胞的能力开辟了新的应用。“每个伤口都不一样；深度不同；而且非常不规则，”尤说道。“通过绘制区域图，你可以确定真皮下组织和上皮区域需要多少层细胞。打印机的优势在于你可以更准确、更精确地输送细胞。”

科学家还可以使用多种“墨水”进行打印。康奈尔大学工程师、 《人造：3D 打印的新世界》一书的合著者 Hod Lipson 制作了另一种组织的原型：软骨。“对细胞位置的空间控制从未达到这种程度，”他说。“这开辟了多维度的可能性。” Lipson 和他的同事决定打印一个半月板，即缓冲膝盖和其他关节的 C 形软骨。该团队使用 CT 扫描创建了绵羊半月板的 CAD 文件，并从绵羊身上提取细胞来打印一个相同的半月板。

尽管利普森的第一个半月板看起来很有希望，但当他向膝关节置换外科医生展示时，他们认为它太脆弱，无法承受身体的日常磨损。“作为一个刚进入生物学领域的局外人，我的印象是‘好吧，我要把细胞放在正确的位置，孵化一段时间，我们就会得到半月板，’”利普森说。“制作半月板不仅仅是把细胞放在那里。真正的半月板实际上每天都会受到撞击，它们会成形并变得僵硬。所以它们所处的环境中的撞击实际上是它们生长的重要组成部分。”

突然之间，生物工程师从在平面画布上描绘生命转变为建造活的雕塑。

换句话说，能够分配正确墨水的打印机只是第一步。细胞有特定的要求，这取决于它们注定要变成的组织。就半月板而言，这可能意味着开发一种生物反应器，可以模拟冲击或使用热量、光线或听觉脉冲来对组织施加压力使其形成。“对于某些组织，即使是简单的组织，我们甚至不知道如何才能使组织表现得像真正的组织，”利普森说。“你可以将心脏组织的细胞放在正确的位置，但启动按钮在哪里？”

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大多数器官都是高度复杂的结构，拥有数十种细胞类型和复杂的血管系统，它们进化而来，完成非常具体的工作。仅肝脏就执行 500 多种功能。就像机器一样，身体会随着时间的推移而磨损和损坏，有时甚至出乎意料。即使可以进行移植，捐赠的器官也无法满足需求。因此，当机械工程师开始制造早期的 3D 打印机时，组织工程师尝试在实验室中培育替代器官。

他们首先用手将细胞移入培养皿。然后，在维克弗斯特再生医学研究所的安东尼·阿塔拉的带领下，研究人员开始将这些细胞接种到人工支架上。支架由可生物降解的聚合物或胶原蛋白制成，为细胞提供了一个临时基质，让它们依附在其上，直到它们足够坚固以独立存在。该系统运行良好：1999 年至 2001 年间，阿塔拉成功地将第一个实验室培育的器官——膀胱——植入波士顿儿童医院的七名患者体内。

研究人员很快采用 3D 打印机来更精确地制作支架。但手动将细胞放置到支架上仍然是一个耗时且艰巨的过程。打印的膀胱仅由两种细胞类型制成；例如，肾脏由 30 种细胞组成。“当你试图设计更复杂的组织时，你无法手动将不同类型的细胞放置到可以复制原生组织结构的不同位置，”Yoo 说。“手不是传递细胞的最佳方法。”

在维克森林大学，Yoo 和 Atala 的团队制造了定制的生物打印机，这种打印机比改进的喷墨打印机速度更快，可以打印更多类型的细胞，包括干细胞、肌肉细胞和血管细胞。他们还设计了一台打印机，可以一次性制造合成支架和组织；他们现在用它来制造复杂的耳朵、鼻子和骨头。

支架为组织提供机械稳定性，可用于将基因和生长因子传递给发育中的细胞。但是，与聚合物一样，它们可能会将异物引入体内并引起炎症。细胞类型对某些支架材料的反应也不同，因此器官越复杂，所需的框架就越复杂，也就越难预测细胞将如何在其周围迁移。因此，并不是所有人都认为支架是必要的，包括 Organovo 的联合创始人、密苏里大学生物物理学家 Gabor Forgacs。

Forgacs 的计划是打印一个完全由活体人体组织组成的器官，并让它自行组装。“神奇的事情发生在打印完成后，”他说。这里面就存在着对生物打印最大的误解：大多数人认为的成品——新打印的细胞材料——其实根本就不是成品。

一旦研究人员扩大血管系统规模，打印器官就只是时间问题了。

在密苏里州，福加克斯研究形态发生，即决定细胞在胚胎发育过程中如何形成器官的过程。通过将细胞聚集体（包含数千个细胞的微小球体）排列成一个圆圈，他的实验室可以观察它们融合并形成新结构。这些聚集体通过协同工作来实现这一点。一个细胞上的分子导致细胞膜上的受体蛋白改变形状，拉动第二个细胞的细胞骨架。随后发生一连串的通讯，最终到达细胞核并引发基因表达的变化。

美国国家科学基金会的资助使 Forgacs 和他的团队能够使用生物打印机进行实验，而不必手工放置聚合体，这项技术改变了他们的研究。“我们以前需要几天才能完成的工作，现在可能两分钟就能完成，”他说。使用生物打印机，Forgacs 证明，包含不同细胞类型的聚合体也会融合，无需任何人工干预或环境提示。

Forgacs 表示，组织工程师不应该将细胞放置在完成的器官中的位置；他们应该根据细胞开始形成器官所需的位置来排列细胞，就像在胚胎中一样。“细胞知道该做什么，因为它们已经这样做了数百万年。它们在进化过程中学会了游戏规则。”

另一个关键在于打印细胞聚合体。“你永远无法通过放置单个细胞来构建一个延伸的生物结构、一个大的器官或组织，”Forgacs 说。“根据非常严格的规则，组织在细胞集合中组织得非常好。半毫米的聚合体已经是一小块组织了。这些碎片结合在一起并交换信息。”

从技术角度来说，通过沿 z 轴堆叠细胞堆来构建组织已经是可能的。事实上，Organovo 的科学家已经用心脏细胞做到了这一点；当它们融合时，它们会像心脏一样同步跳动。然而，从生物学角度来看，仍然存在一个重大障碍：它需要茁壮成长。器官需要血管网络来分配营养和氧气。没有这一核心功能，细胞就会枯萎和死亡。

Organovo 的研究人员通过在组织细胞管之间打印填充物（如水凝胶），制造出相对坚固的血管系统。填充物随后可以被提取，留下用于血细胞的空通道。爱荷华大学机械工程师 Ibrahim Ozbolat 还开发了一种生物打印机，它使用多个串联移动的臂，同时沉积血管网络和细胞聚集体。

“最大的挑战，”奥兹博拉特说，“是制造非常细小的毛细血管”——将较大的血管与细胞连接起来的毛发状血管。他预计两年内就能解决这个问题。一旦研究人员能够扩大血管系统的大小和复杂性，从生物部件到整个打印器官的转变将只是时间问题。

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演员布鲁斯·威利斯在 Organovo 1,500 平方英尺的洁净室中站在一台机器旁边注视着访客。该公司的 10 台生物打印机中有几台以 1997 年科幻电影《第五元素》中的角色命名和贴上标签。从威利斯的“达拉斯”走几步，经过六个冰箱大小的孵化器，就可以看到生物打印机“Ruby”和“Zorg”，上面分别装饰着克里斯·塔克和加里·奥德曼的照片。

影片以 23 世纪为背景，一个装有两条机械臂的自动化舱利用人类断手的细胞打印并复活了一名女性。科学距离实现这一壮举还有很长的路要走——而且可能永远无法实现。但一个重要的里程碑将是开发出足够先进的工具，以清晰地可视化和模拟整个过程。

目前生物打印机所欠缺的，也是该领域下一波突破所需要的，是生物学上复杂的软件。对于咖啡杯这样的无生命物体，3D 扫描仪可以在几分钟内创建 CAD 文件，并将设计上传到 3D 打印机。医学上尚无同类产品。

“MRI 不会告诉你细胞在哪里，”Lipson 说。“我们对蓝图一无所知。这只是谜题的一半。而且没有 Photoshop——没有移动细胞的工具。这不是巧合。这超出了大多数计算机软件的处理能力。你不可能有肝脏的软件模型。它比喷气式飞机的模型还要复杂。”

“我们不要用塑料打印试管来进行化学实验，而是用纸巾打印试管吧。”

意识到这一商机后，Autodesk 与 Organovo 联手开发了可应用于生物打印的 CAD 程序。“我们探索的领域并不总是具有即时的商业案例，但未来几年可能会有，”Autodesk 生物/纳米/可编程物质组负责人 Carlos Olguin 表示。“如果是这样，我们希望不仅要做好探索的准备，还要做好实现的准备。”

作为第一步，Autodesk 计划创建一个现代化的基于云的 CAD 外壳，以帮助简化设计流程。最终，其目标是将描述自组装和其他细胞过程的数学知识集成到生物打印软件中。今年 4 月，Olguin 的团队发布了 Project Cyborg，这是一个基于 Web 的平台，旨在为细胞生物学进行纳米级分子建模和模拟。最终，研究人员希望能够以数字方式设计细胞聚集体，按下“Enter”，然后在几秒钟内直观地看到结构如何变化并演变成成品活组织。

“在短期内，我们将大幅缩短生物打印所需的时间，”奥尔金说。“但从中期来看，通过让他们摆脱这种极其繁琐的创建最基本形状的工作，我们希望他们能够专注于更有趣的应用。”

Organovo 的首款生物产品将是用于药物测试的肝脏组织。每年，制药行业在研发上花费超过 390 亿美元。根据美国食品和药物管理局的数据，肝毒性是药物从临床试验中撤出的最常见原因——也是药物在获批后退出市场的原因。目前还没有可靠的方法来评估药物在服用前对人体肝脏的影响——甚至动物试验也没有。

“大鼠等动物与人类之间存在一些相当显著的物种差异，”Organovo 的 Presnell 说道。“因此，你可以从大鼠那里得到一个可爱的回答，即‘好，继续！’但实际上，在人类身上，情况就不妙了。”

生物打印机可以构建带有肿瘤的器官，以便外科医生进行实践。

在斯坦福大学，研究人员试图通过培育肝脏主要由人类细胞组成的小鼠来解决这个问题。10 月份发表的一项研究表明，小鼠可以预测治疗丙型肝炎的药物在人体中的代谢情况。麻省理工学院的科学家利用微图案技术制作了微型肝脏模型，这种技术与将铜线放到计算机芯片上的软光刻技术相同。普雷斯内尔说，问题在于微图案结构通常只有几层细胞厚，这限制了研究人员可以提出和回答的问题的复杂性。

明年，Organovo 将开始销售其肝脏检测试剂盒——一种类似培养皿的孔板，其中的肝细胞排列成 200 至 500 微米厚的 3D 结构（相当于人类头发的两到五倍）。潜在市场巨大。每种口服药物，无论是止痛药、消炎药还是新型抗癌药，都必须通过肝毒性测试。

“人们通常会进行反应，纯化化学物质，取出药物，将其添加到细胞中，观察反应，配制，也许在动物身上，然后用于人体，”格拉斯哥大学化学家兼纳米科学家 Lee Cronin 说道，他正在开发一种 3D 打印机，使用化学墨水制造药物。“现在我们不再用塑料打印试管来进行化学反应，而是用组织打印试管，在组织中进行化学反应，并实时观察反应。这就是事情变得非常有趣的地方。”

如果生物打印检测能为药物研究人员提供更好、更快速的数据，那么整个药物研发过程将会加速。此外，它们还可以减少大量动物试验的需要。

爱荷华大学的 Ozbolat 的目标是打印胰腺组织用于治疗。这种组织只由能够产生胰岛素的内分泌细胞组成。他说，这种组织植入人体后可以调节血糖并治疗 1 型糖尿病。

生物打印机对医学院来说也可能是无价之宝。学生们现在在尸体上进行训练，但当涉及到切除癌症等手术时，没有什么能比得上真实的体验。生物打印机不是打印健康组织，而是打印有肿瘤或其他缺陷的器官，这样外科医生就可以在进入手术室之前练习。

功能正常的完整可移植器官将是终极挑战，但从长远来看，也将最深刻地改变人们的生活。在美国，目前有超过 118,000 人处于全国捐献者候补名单上，并且每月增加 300 人。这不仅仅是供需问题。找到合适匹配的几率很低。利用从患者自身体内培养的细胞进行生物打印器官最终可以帮助医生随意制造出完美匹配的器官。

科学家表示，生物打印机或许甚至可以制造出仿生器官——不仅可以恢复人类能力，还可以扩展人类能力的身体部位。为此，普林斯顿大学的研究人员一直在尝试将电子设备集成到生物打印中。今年早些时候，他们创建了一个耳朵形状的水凝胶和牛细胞基质，并加入银纳米颗粒形成一个螺旋天线。该系统可以接收超出正常人类听力范围的无线电频率。以类似的方式，生物工程师有朝一日可能会将传感器整合到其他组织中——例如，制造一个可以监测应变的仿生半月板。

生物打印机已经展现出科学家们对生物学和工程学的非凡掌握。在 Organovo，在一间平淡无奇、霓虹灯闪烁的洁净室里，“达拉斯”将人类细胞排列成复杂的图案，这些图案与自然界的图案相似。对于像 Vivien Gorgen 这样的年轻研究人员来说，没有什么理由停下来惊叹于这一点。这台机器只是另一种工具——一种帮助更精确地构建组织的工具。打印机可以将所有人体部件放在正确的位置。但是，正如 Forgacs 继续思考的那样，为什么这些部件会这样做呢？只有生命本身知道。至少，现在是这样。

史蒂文·莱卡特 (Steven Leckart) 是《Pop-Up Magazine》的特约撰稿人，该杂志是为现场观众创作和表演的。

本文最初发表于 2013 年 8 月的《大众科学》杂志。点击此处查看该杂志的更多故事。