3D打印人体组织的技术已经到了商业化阶段，那么，3D打印器官还有多远？

　　文｜CBN实习记者 吴杨盈荟 记者 叶雨晨

　　制图｜彭奥

　　与大多数发明一样，3D生物打印技术的诞生也源于一次异想天开。

　　2000年年末的一天，美国Clemson大学的Thomas Boland教授和他的学生们盯着学校常见的喷墨打印机，突发奇想：为什么不把打印机里的墨水换成细胞呢？

　　当时的Boland还是一名年轻的教授，主攻组织工程研究，实验中常常需要将细胞和材料结合在一起。喷墨打印机给他带来了意外的灵感：喷墨打印机的喷头直径为40至50微米，而通常细胞酶解后悬浮在培养液中的直径为20微米左右，这也许意味着喷墨打印机一次能喷出2至3个细胞。

　　“如果能实现使用打印机打印细胞，我们就找到了一种全新的方式来精确建构细胞结构。”迈普医学创始人之一徐弢对《第一财经周刊》说。他正是当时Boland研究团队中的一员，和Boland共同拥有3D细胞打印技术的专利。

　　Boland的研究团队很快将这个旁人看来有些不可思议的想法付诸实践。他们从电子商务网站ebay买来一台惠普[微博]喷墨打印机，自己加上升降结构，并将打印机从二维改造为三维。随后，Boland让学生们从微生物系找来细菌，作为“墨水”进行3D打印实验。

　　实验过程异常顺利。2003年，在多次实验的基础上，Boland教授和徐弢联合发表了关于3D细胞打印的学术论文，3D生物打印技术就此问世。

　　3D生物细胞打印与一般3D打印机最大的区别在于生物墨水和生物纸。前者使用的生物墨水是人体内不同种类的细胞，比如由从病人脂肪或骨髓中提取的干细胞分化而来。每毫升“墨水”中大约包含200万至600万个人体细胞。生物纸的主要成分为水凝胶，作用在于提供生长支架固定细胞。通过计算机处理CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）三维模型，3D生物打印机就可以逐层打印出精确的细胞结构，生产出人体组织乃至器官。

　　以往，3D打印技术在医疗领域中的应用主要为医疗设备及辅助支架的制造。美国两岁女孩Emma患有先天性多数关节弯曲症，因为年龄过小而无法装备笨重的威尔明顿机器人外骨骼装置（WREX），3D打印设备公司Stratasys就采用3D打印技术，用轻质的乐高积木原料为Emma量身定做了一副小型WREX。最终，曾经只有小拇指能动的Emma可以完全自己抬起手臂，抓起一把糖果放进嘴里。

　　如果说，3D打印技术掀起了一场新的工业革命，将原本掌握在少数人手中的设计和制造的权力，发放给了更多普通人的话，那么，对医疗界而言，这项技术预示着一场医学新革命或将来临。

　　从仿真医疗模型、生物医疗器械，到更具个性化的移植组织或器官、更具潜力的生物高分子材料，都将聚拢于3D打印麾下。同时，它也使得原本枯燥且抽象的医学知识，变得具体而细微。

　　“3D打印的主流现在还是在工业领域，应用于工业材料。”Stratasys大中华区总经理汪祥艮对《第一财经周刊》说，“但生物材料在人体方面的使用也在不断研发和发展当中，以后成为主流是完全有可能的。这就是3D打印的魅力。”

　　目前，相比大多数传统制造技术，成本依然是3D打印最大的壁垒，技术上的优势不足以抵消成本上的劣势。但医学领域较少考虑性价比，甚至可以不计成本地采用最新技术，这也使得3D生物打印技术的创新应用在医学健康多个领域取得了有效进展，比如组织修复和药物筛选。借助3D生物打印技术而重获健康的人已越来越多。

　　43岁的英国男子John就是一位获益者。2012年6月，John在被护士推进英国伦敦国王学院附属医院时，已经重伤昏迷不醒。他在一场车祸中受到了严重的头部外伤，需要进行大面积脑膜修复。而传统的脑膜修补手术往往需采用病人自体筋膜或者其他动物材料缝合，不仅加重患者的痛苦，而且有病毒感染或发热的风险。主治医生Ashkan决定使用3D生物打印产品ReDura睿膜为John进行脑膜修补。手术后，John很快康复出院。

　　睿膜是迈普医学公司使用3D生物打印技术生产的人工硬脑膜。它的外形如同一张普通纸巾，内部为合成生物高分子材料构成的网状结构，能够为人体脑膜细胞的生长提供支架。睿膜可直接贴合在患者的脑膜破损处，实现伤口缝合的效果。之后，患者的自体细胞会主动“找”到这里，发育生长并连接成新生组织。在组织生长完成后，睿膜会自动降解为无害的水和二氧化碳。

　　还在美国攻读博士时，迈普医学的两位创始人徐弢和袁玉宇就已制造出睿膜的基本雏形。但是在产业化的过程中，他们发现保证产品的长期稳定性和安全性成为了大规模生产的一大瓶颈问题。

　　实验室中，研究者可以自由选用各种材料和方式，只需要保证最后得到一致的试验结果，无需要求每个样品都是一模一样的。但产业化，意味着大规模生产出的产品是完全标准化的，而且在设备设计、原材料选择、工艺等方面也有很多限制。在将研究成果产业化的过程中，徐弢和袁玉宇每遇到一个需要调整的技术细节，都可能会花费将近半年的时间。

　　经过3年多的产业化研发，睿膜在2011年获得了欧盟CE认证，先后在欧洲和美国等国家的市场上市，累计病例达到1万多例，在欧洲一些国家市场占有率超过50%。如今睿膜也已应用于中国患者身上。2014年4月，它在中国获得了国家食品药品监督管理总局授予的注册证，成为中国第一个问世的3D生物打印产品。

　　“我们未来3到5年的重心会一直放在组织修复这块。3D打印人体组织的技术已经到了适合产业化的阶段。”徐弢对《第一财经周刊》说。

　　而这一应用领域中，最大的挑战是如何“养活”这些3D打印出的组织。这要求将选好的细胞和既定的设计结合起来完成细胞融合、组织形成和所需形态的过程，才能最终生产出有效的人类组织。

　　2012年，拥有3D生物打印技术的美国创业公司Organovo曾宣布，与软件服务公司Autodesk合作开发用于人体器官建模的软件。Organovo公司CEO Keith Murphy当时甚至设想，“长期来看，这一合作将使用户未来可以设计自己的3D组织，并通过Organovo来制造。”

　　除了组织修复，3D生物打印技术生产的人体组织的另一个重要应用领域在于药物检测。BBC市场研究报告显示，2012年，这一领域的全球市场价值已达到11亿美元。

　　2013年11月，Organovo公司宣布，通过3D生物打印技术成功生产出部分肝脏组织，它维持肝脏所具备的过滤营养、药物和毒素的功能可以达到40天之久。2014年6月26日，德国制药巨头罗氏制药公布了对Organovo生产的3D打印肝细胞的研究结果。罗氏制药确认，Organovo打印的3D肝脏系统能够区分出两种类似的化学药品对肝脏是否具有毒性，还能检测到以往其他模拟肝脏系统无法测出的毒性水平。这是Organovo的3D生物打印产品首次获得外部制药大公司对其产品效果的研究认可。

　　如果类似Organovo的3D生物打印产品能在药物检测领域推广开来，医药公司将不再需要动物进行药物试验，只需使用3D打印的人体组织便能模拟人类对药物的自然反应。药物检测的成本能大大降低，药物推向市场的速度也将得到提升。

　　“我们生产的人体组织目前只用于药物检测，并不涉及人体移植。我们的工作重心还是3D打印较小的组织，比如正在开发中的肾组织和乳腺癌组织—尽管很多人都想靠3D打印出整个器官植入人体。”Organovo执行副总裁Michael Renard对《第一财经周刊》说。

　　器官移植的极端供需比一直是困扰人类社会的医疗难题。需要器官移植的患者，99%都在等待中绝望地离去。据中国卫生部的统计数据显示，中国每年只有1万人能够成为得到移植器官的幸运儿，而等待器官移植的病人却超过150万人。在全世界，每过1.5小时就有一位需要移植器官的病人因等不到合适的器官而死亡。3D生物打印技术的问世与发展，一度成为等待器官移植者们期盼的曙光。

　　然而正如迈普医学的徐弢所说，“现在的3D生物打印技术在实现人体组织层面的生产是可行的，但是要生产器官还有很大挑战，起码是一二十年之后的事情了。”

　　人体器官的组织结构非常复杂，不仅包括多种类型的细胞，还需要血供进行营养支撑，动脉输入营养，静脉排出废物。目前的3D生物打印技术已经可以实现重新构建器官的多细胞结构，但在功能重构上仍有困难，难以彻底实现细胞间相互作用。

　　此外，打印出密集的血管系统并实现组织与供血之间的相互作用也是3D生物打印亟待突破的技术瓶颈。

　　不过，就在7月初，来自哈佛大学、斯坦福大学、悉尼大学和麻省理工学院的研究人员公布了一项研究成果，他们成功使用3D生物打印技术制作出了人工血管。研究人员采用纤维材料打印出血管网络，并覆盖以蛋白质为基础的细胞材料，通过光照固化。其中的纤维会逐渐被移除，留下覆盖有人体内皮细胞的通道网络。一周后，细胞网络会变成稳定的毛细血管，不仅可以吸收营养和氧气，还能进行废物处理工作。

　　该项目负责人哈佛大学Don Ingber博士在接受相关媒体采访时表示：“血管网络是3D器官打印最关键的一步，组织工程的研究者们一直在等待着这项突破的到来。”

　　或许技术前进的脚步，会比我们想象的更快一些。

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