3D生物打印機(jī)需要人體細(xì)胞作為生物墨水，首先，研究者將從人們的骨髓或脂肪中提取出干細(xì)胞，通過(guò)生物化學(xué)手段，使它們分化成不同類(lèi)型的其他細(xì)胞。隨后，這些細(xì)胞將被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含1萬(wàn)到3萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。當(dāng)3D生物打印機(jī)開(kāi)動(dòng)時(shí)，“墨粉”將通過(guò)打印頭聚攏在事先設(shè)計(jì)的部位上，打印器官的雛形便逐漸顯現(xiàn)。

　　用打印機(jī)能打出一張全新的臉龐？這并不是科幻小說(shuō)的情節(jié)，而是英國(guó)男子斯蒂芬·鮑爾的親身體驗(yàn)。

　　2012年的一天，斯蒂芬·鮑爾遭遇了一場(chǎng)嚴(yán)重的車(chē)禍，臉部留下大面積重創(chuàng)。為了不嚇著別人，每次臨出門(mén)前，他都不得不戴上帽子后壓低帽檐、再配副大墨鏡將臉上的疤痕盡可能遮蔽。直到不久前，他接受了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的手術(shù)——用3D打印的部件來(lái)重建他的臉。由此，他成為世界上最早采用3D生物打印技術(shù)治療面部創(chuàng)傷的患者之一。

　　用機(jī)器打印活生生的器官，看上去匪夷所思的技術(shù)到底有多“神秘”？3D生物打印機(jī)如何工作呢？

　　3D打印技術(shù)

　　3D生物打印機(jī)需要人體細(xì)胞作為生物墨水，首先，研究者將從人們的骨髓或脂肪中提取出干細(xì)胞，通過(guò)生物化學(xué)手段，使它們分化成不同類(lèi)型的其他細(xì)胞。隨后，這些細(xì)胞將被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含1萬(wàn)到3萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。當(dāng)3D生物打印機(jī)開(kāi)動(dòng)時(shí)，“墨粉”將通過(guò)打印頭聚攏在事先設(shè)計(jì)的部位上，打印器官的雛形便逐漸顯現(xiàn)。

　　據(jù)清華大學(xué)生物制造中心副主任林峰介紹，根據(jù)打印材料、生物學(xué)性能和應(yīng)用情況，生物3D打印包括四個(gè)層次。

　　“第一個(gè)層次是用普通的工程材料，打印出體外的個(gè)性化模型，給醫(yī)生用于診斷、交流或設(shè)計(jì)手術(shù)治療方案。”林峰拿起一個(gè)淺黃色的下頜骨模型指點(diǎn)著說(shuō)，“這是一位病人的下頜骨。如果醫(yī)生要在這里打個(gè)釘子，就可以根據(jù)病人的CT圖像在計(jì)算機(jī)中重建出病人的下頜骨模型并打印出來(lái)，醫(yī)生還可以在模型上規(guī)劃好打孔的位置、角度和深度，設(shè)計(jì)出能夠輔助手術(shù)的導(dǎo)板，再利用三維打印制作出導(dǎo)板，用于手術(shù)過(guò)程中，從而提高手術(shù)的正確性。”

　　第二個(gè)層次是用生物相容性良好、不可降解的材料，打印出可以移植到病人身體里的植入器件，替代受損部位。“比方說(shuō)根據(jù)病人這側(cè)耳朵建立一個(gè)耳朵數(shù)字模型，用聚氨酯彈性體三維打印出另一側(cè)的耳朵模型，然后植入病人的皮下進(jìn)行縫合。”

　　第三個(gè)層次用的是可降解材料，為組織再生打印出含有豐富孔隙的支架，接種細(xì)胞后，進(jìn)行體外或體內(nèi)的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)缺損組織的再生和修復(fù)。

　　第四個(gè)層次與前三個(gè)層次不同，是用活生生的細(xì)胞進(jìn)行三維打印，打印出模擬組織三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)或類(lèi)組織。

　　技術(shù)有何應(yīng)用？

　　據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，威爾士第二大城市斯旺西莫里斯頓醫(yī)院的研究團(tuán)隊(duì)為了修復(fù)鮑爾的臉，使用CT掃描、創(chuàng)建和打印了他的頭骨對(duì)稱(chēng)的三維模型，然后削磨和打印模子與其面部相匹配，在恰當(dāng)?shù)奈恢弥踩脞佊脕?lái)支撐骨頭。頜面外科醫(yī)生阿德里安·休格說(shuō)：“以前做的任何手術(shù)都無(wú)法與之相比較。如果沒(méi)有3D生物打印機(jī)這種先進(jìn)的技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)的。這使我們能夠更加精確進(jìn)行操作，并讓患者感到滿意。”

　　鮑爾說(shuō)，這種用3D打印出的新臉將使自己的生活得到徹底改變。“我出門(mén)前再也不必發(fā)愁沒(méi)有偽裝好而嚇到別人了。我可以一如既往地做日常事情、出門(mén)見(jiàn)人、在大街上行走，甚至到任何公共場(chǎng)所。”

　　清華大學(xué)生物制造中心則在嘗試將生物3D技術(shù)用于再生醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和抗癌藥物研究中。據(jù)該中心助理研究員姚睿介紹，由于三維的情況與人體內(nèi)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境更為相近，因此能更加客觀地檢測(cè)藥物的抗癌作用。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將三維生長(zhǎng)的癌細(xì)胞與二維生長(zhǎng)的癌細(xì)胞作對(duì)比。經(jīng)過(guò)8天時(shí)間，三維培養(yǎng)的癌細(xì)胞長(zhǎng)成了細(xì)胞球，二維培養(yǎng)的癌細(xì)胞都平趴著。接著加入抗癌藥物紫杉醇。很快，二維培養(yǎng)的癌細(xì)胞就都死了，而三維培養(yǎng)的只有部分癌細(xì)胞死亡，細(xì)胞球存活下來(lái)了。

　　西安交通大學(xué)教授李滌塵是國(guó)內(nèi)最早研究生物3D打印技術(shù)者之一，在他一次去第四軍醫(yī)大學(xué)探訪時(shí)，骨骼陳列室里各類(lèi)骨骼組織上那些“至關(guān)重要的小洞”讓他突發(fā)靈感———用生物3D打印技術(shù)做個(gè)性化的骨骼金屬替代物。2001年10月，第一例個(gè)性化鈦合金下頜骨的制作和移植修復(fù)工作完成。如今，這樣的案例已經(jīng)增加到100多例。

　　此外，李滌塵還在探索用可降解的生物陶瓷打印骨組織，移植到患者體內(nèi)后能夠逐漸引導(dǎo)患者長(zhǎng)出自己的骨骼。“這個(gè)已經(jīng)用于羊和狗的動(dòng)物試驗(yàn)，效果還不錯(cuò)，正在等待審批。”李滌塵說(shuō)。

　　技術(shù)、審批挑戰(zhàn)重重

　　“其實(shí)，細(xì)胞打印并不‘神秘’，但要打印出活體器官，也就是說(shuō)讓打印出的細(xì)胞結(jié)構(gòu)具備生物功能，還要克服很多困難。”林峰說(shuō)，“這是我們最感興趣，也是最具挑戰(zhàn)性的。目前，國(guó)內(nèi)外打印出的類(lèi)組織，只有組織相似的結(jié)構(gòu)，但不具備組織的功能。因?yàn)榧词故强雌饋?lái)簡(jiǎn)單的組織，人工再造也面臨巨大挑戰(zhàn)。比如，皮膚是很薄的一層，但功能很多，除保護(hù)功能外，還有感覺(jué)、調(diào)溫、出汗等功能。我們正在考慮往人工皮膚組織里打印一些特殊的細(xì)胞，讓它長(zhǎng)出毛囊、皮腺。而且作為一個(gè)交叉學(xué)科，生物3D打印技術(shù)也亟須與不同學(xué)科進(jìn)行交叉合作，目前高校的行政管理體制和考核機(jī)制無(wú)法提供一個(gè)開(kāi)放的學(xué)科交叉環(huán)境。”

　　在李滌塵看來(lái)，從第一層次到第四層次，技術(shù)重點(diǎn)逐漸從對(duì)外型結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向?qū)?xì)胞自身行為的研究。他認(rèn)為，要讓打出來(lái)的細(xì)胞能夠存活并建立起自己的營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)，至少得要一二十年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。而技術(shù)成熟之后，監(jiān)管審批也有難關(guān)，“藥監(jiān)部門(mén)批準(zhǔn)的產(chǎn)品都用于批量生產(chǎn)，可是生物3D打印做的是個(gè)性化產(chǎn)品，藥監(jiān)部門(mén)未曾遇到過(guò)的，怎么對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估、審批都是問(wèn)題。”李滌塵認(rèn)為，對(duì)于已經(jīng)成熟的技術(shù)，在保證客觀安全的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)化步伐要加快，監(jiān)管水平也要提高。