3D列印技術許下的諾言

賓夕法尼亞州立大學帕克校區的一台3D印表機正在對一個組織模型進行生物列印

● 那些滿腹細胞油墨的機器們正以逐層列印的方式構建著組織和器官。

30多歲的人如果患有膝關節疾病，大概不會考慮通過外科手術來修復。但是再經過幾十年的生活不便以及關節炎的折磨，他們就不得不接受外科治療了。在那裡，他們也許會發現一台3D印表機正在準備幫助他們製造出置於體內的新骨骼和軟骨。這正是賓夕法尼亞州立大學帕克校區的生物工程師易卜拉欣?奧日博爾特（Ibrahim Ozbnlat）想要看到的，目前他正在開發一種3D生物列印技術來修復軟骨等組織。他設想一台機器可以將層層堆疊、滿載細胞的生物相容性材料放置於病灶中。奧日博爾特說：「在未來，或許可以讓病人躺在生物印表機下接受治療，」而且他的願景並不局限於膝蓋，「不論是身體的哪一部分需要修復，生物印表機都可以做到。」

許多人都與奧日博爾特的目標一樣，希望利用那些精心設計的模型生產出可以修復或替代身體損壞部分的活性組織。除了骨骼和軟骨以外，研究者正在嘗試通過在體外列印出皮膚、包括視網膜在內的神經系統組織以及腎臟、心臟等器官，並將它們移植入患者體內，但是即使簡單的結構應用於臨床實踐也需要10年甚至更久。在製造出腎臟等複雜器官之前，研究者需要提煉材料、改良植入技術和提升創造更多複雜結構（比如血管）的能力。如果3D列印能夠製造出那些具有一定市場需求的組織，它就能對再生醫學產生顛覆性影響：生產出唾手可得的移植器官和組織，從而讓需要接受移植的患者從等待名單中去除。

一個工程學奇蹟

在工程學領域，「3D列印」是一個覆蓋面很廣的術語,它泛指那些通過逐層擠出沉積材料構建出任何設計物體的一系列技術。在計算機模式下，3D印表機能製造出其他傳統方法無能為力的物體。例如，無法通過一般工具勾勒的內部輪廓。目前這項技術在快速建模領域得到了廣泛開展，未來它還要涉足從醫用器材到航天航空業的各種製造環節。

在生物學領域，3D列印被稱為3D生物列印，它使用了許多相同的技術，只是變成了處理通常被充填於水凝膠內的活細胞。水凝膠是一種柔軟的膠樣聚合物，可以貯藏大量水分，但它又因為極富黏性而可以塑形（至少可以維持一段時間）。細胞也可以懸浮在溶液中，就像印表機墨水中的色素顆粒一樣。生物墨水通過墨汁噴嘴噴射出來或者擠壓到一個基板上，並因溫度和壓力的變化、添加化學物質或一個波長的光而固化。一旦確切的結構呈現出來，我們就可以加入營養物質和生長因子來促使細胞發育成目標組織。

研究人員正在測試列印各種組織類型的技術組合。為什麼呢？舉個例子，骨骼在充滿細胞的水凝膠支架中生長得最好，這種支架結構引導細胞生長並給予細胞生長方向的線索。但是奧日博爾特說，軟骨在自由生長的情況下長勢最好，該生長方式與軟骨在胚胎體內的發育方式相同，支架會抑制其生長發育，處於一塊水凝膠中的軟骨細胞不能與存在於另外一塊膠中的細胞進行很好的信息交換，因此不能發出使它們同步生長並融合為一塊更大組織的信號。

奧日博爾特已經利用褐藻膠（一種海藻提取物）開發出一種全新的生物墨汁。他通過逐層擠出沉積材料，擠出了數條含有軟骨細胞的墨汁薄層，而這些墨汁薄層同步生長並形成了一塊大的組織。他希望通過這種技術利用胰腺細胞列印出胰島——胰腺中一種可以合成胰島素的部分——並移植入I型糖尿病患者體內。他開發的這項技術已經在活體動物實驗中取得成功：通過向生物墨汁中加入膠原蛋白，他可以在顱骨受到損傷的大鼠傷口上搭建起新的骨骼和皮膚。

達里爾?利馬（Darryl D"Lima）是加利福尼亞州聖地亞哥市斯克里普斯診所矯形外科研究所的主任，他說，通過生物列印技術生產出的軟骨優於供者組織以及用於膝關節置換的塑料和鈦合金。雖然利用塑料和金屬製成的置換關節可以維持20年，但他們並不像活體組織那樣富有彈性。「金屬、塑料和膠接材料僅僅在被植入的時候是最堅固的，」利馬說，「此後，它們只能變得越來越脆弱。」而生物列印出的軟骨相較於供者組織的移植物更加結實。生物列印不僅可以根據實際損傷的形狀對組織進行量身定做，避免切除周圍的健康組織，而且生物墨水還可以填充到手術無法解決的微小裂隙中，從而使組織整體變得更堅固，這一點沒有任何一種手術可以做到。不過他承認這在目前只是一種設想，因為該技術還沒有準備好去參與對照臨床試驗。雖然包括利馬在內的研究人員正在用實驗動物來檢驗該技術製造出的產品，但是到目前為止還沒有證明其優於傳統移植物的報告。

耳形軟骨是首批用於臨床的生物列印組織之一

利馬一直在研究3D列印在眼科治療中的應用，目的是治療由視網膜老化造成的失明。利馬和加利福尼亞州斯坦福大學眼科醫生傑弗里?戈爾德貝格（Jeffrey Gddberg）一起將視網膜神經節細胞列印到支架上並觀察他們是否能長成視網膜。由於神經節細胞是神經元，它們需要在某個特定的方向上生長。「我們想讓這些神經元軸突朝著一個特定方向生長，因為我們想引導他們達到正確的目標。」戈爾德貝格說。神經細胞軸突需要沿著視神經生長的特定路徑將視網膜與大腦相連。利馬和戈爾德貝格成功地製造出一種模擬神經纖維在眼內走向的輻射式支架，然後他們將細胞沿著支架的路徑走向列印出來。富含層粘連蛋白（一種纖維蛋白）且含有一些褐藻膠的水凝膠可以使視網膜細胞更好地被錨定在支架原位，以便天然的信號傳導機制促進它們向正確的方向生長。在研究人員研製的這種輻射式支架結構中有72%的神經軸突是沿著預定方向生長的，而在二維的培養板上培養細胞只有11%的成功率。

用生物列印技術生長的視網膜的一大優勢是它的特異性。視網膜包括兩種光感受器：視桿細胞和視錐細胞。視桿細胞主要集中於視網膜的邊緣，而視錐細胞主要集中於視網膜中央。生物列印技術能夠精準控制這些細胞的位置。戈爾德貝格說：「你用任何其他技術根本做不到這一點。」但他還補充道，實現生物列印角膜的移植大概還需要幾年的時間，一個重要的挑戰是神經細胞比軟骨細胞等排列得更加緻密，而研究人員還不確定如何實現這種密度。

在該領域還有另外一個研究方向，那就是尋找最好的生物墨汁。不同的材料各有其獨特的性質，這些性質會影響到這些墨汁的使用、塑形的效果以及對細胞生長的促進作用。理想的墨汁應該保持液態，這樣它才可以更好地散布開來，但它又能在不使用可能危害細胞生長的化學物質或重劑量的輻射情況下，迅速變成一種較為堅固的凝膠狀結構。「縱觀生物列印技術，你就會發現當前該領域的短板就在於很難獲取到合適的生物墨水。」英國布里斯託大學大學化學家亞當?佩里曼（Adam Perriman）說。佩里曼發明了一種新型生物墨汁，它是水凝膠Pluronic（有機共聚物泊洛沙姆的一種混合物）和褐藻膠的一種混合物，這種混合物使他能夠精確調控膠凝時間——雖然Pluronic結構可以很好地保持形狀不變，但是它會隨著溫度的變化融化掉，而褐藻膠膠凝速度又太快了，二者單獨都不能滿足要求。佩里曼利用這種混合墨汁列印出任何一種他想要的形狀，一旦固化，Pluronic就可以被洗掉，而這些被洗掉的凝膠通過一張微孔網過濾出去，從而有利於列印組織汲取養分。

另外，來自韓國慶尚北道浦項工科大學的機械工程師趙冬雨（Dong-Woo Cho）正在研究用細胞外基質製造生物墨汁。他提取出心臟組織、軟骨或脂肪並去除所有細胞，只留下胞外基質，基質內包括膠原蛋白、黏多糖等原材料。他將這些材料磨碎，並將其與醋酸和氫氧化鈉混合製成以絲狀物形式擠出的墨汁，當這種墨汁加熱到體溫的溫度後會產生膠凝現象。他認為，由於該墨汁來自於細胞賴以生存的基質，它能為細胞的生長繁殖提供更自然的環境，並且比用非體內常見物質製成的墨汁更具生物相容性。目前他正在使用該墨汁開發一種修復心臟損傷的補丁。

美國北卡羅來納州溫斯頓塞勒姆市維克森林大學再生醫學研究所主任安東尼?阿塔拉（Anthony Atala）認為，一些較為簡單的3D列印組織將在未來幾年應用於臨床。第一種可以使用的組織很可能是軟骨——它的結構相對扁平，只包含幾種細胞並且不需要血供。阿塔拉已經成功列印出軟骨和骨骼，並將它們移植入小鼠體內。至於人類，在軟骨之後投入應用的是諸如動脈和尿道等空心管狀組織，然後是膀胱等空心器官組織。「當然，所有的組織都很複雜，但是至少還有一些相對簡單的扁平結構供我們選擇，例如皮膚。」阿塔拉說。

然而，實體器官會有幾十種以上的細胞類型，而且還需要血管系統為這些細胞提供養分。直徑大於200微米的細胞（相當於幾根人類頭髮絲的寬度）在離開營養源的條件下將會迅速死亡。因此研究人員想要成功地列印出實體器官，創建出真實的血管系統是一個必要環節。

哈佛大學的一個研究團隊已經邁出了解決上述問題的第一步，他們用基本的血管系統列印出一塊厚組織並使其存活了數周。該團隊使用了三種不同的墨汁：第一種是硅有機樹脂，用於塑形；第二種是混合了多能幹細胞的生物墨汁，用於形成組織；第三種是普盧蘭尼克，當它處於室溫時，是一種膠體，但是冷卻後就變為液體。研究人員列印出這種組織，並用普盧蘭尼克製成許多貫穿組織的脈管，列印成功之後，整個組織將冷卻至4℃，繼而普盧蘭尼克變為液態流出並形成數條組織內營養物質流動的脈管。

通過這個過程，哈佛研究團隊列印出了1厘米厚的組織並使它保持了超過6周的生物活性。這對於用來建立磷酸鈣底膜（骨組織在其上可以生長）的幹細胞來說是一個相當長的存活時間。「這條研製道路沒有終點，我們要列印出更厚的組織。」生物工程師兼團隊領導人珍妮弗?劉易斯（Jennifer Lewis）說。在本次研究中所使用的血管系統並不成熟，只是連續幾層組織中縱橫交錯的管道。她說，真實的器官需要更複雜的靜脈和粗細不同的毛細血管。

要知道，生物列印的潛力還不只是身體部位對等器官的替換。奧日博爾特正在展望使用新型組織賦予人體新功能的前景。例如，他的實驗室已經初步涉足這一領域，旨在製造出一種器官使體內的化學能轉化為電能——這是電鰻的特異功能。這樣一來人類可以自帶內置的、可反覆充電的電池驅動從起搏器到假肢的各種體內裝置。當然，即使列印技術無法賦予人類這些超人一般的能力，這項新技術還是會翻開醫學史的新篇章。如果生物列印技術可以生產出無限量的可替代組織器官，那麼會有多少生命被拯救，又會有多少人的身體將會被改善呢？

原文作者尼爾?薩維奇（Neil Savage）是來自馬薩諸塞州洛厄爾市的一名科技文章自由撰稿作家。

馬晉平/編譯 世界科學（World-Science）

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