【中国智能制造网 技术前沿】美国科学家研发出了一款可以打印大尺寸“活”组织的3D打印机，这些组织移植到老鼠身上后能够长时间地存活，并逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出真正的组织乃至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。
集成型组织-器官打印机内的喷口。（南方周末资料图/图）
1986年，美国人查尔斯·赫尔（CharlesHull）发明了3D打印技术。在随后的30年间，尤其是进入二十一世纪以来，随着材料科学、计算机技术等诸多领域的进展，3D打印技术取得了长足的进步。如今，你能在网上下载到各式各样的3D模型文件，用3D打印机为自己打印一个小摆件。但3D打印技术的应用远远不止局限在给人们的生活增添一抹亮色上：设计师可以用3D打印机把自己设计的作品的模型打印出来，让客户有更加直观的体验；在工业生产上，有越来越多的零部件的生产正在使用着3D打印技术，比如，空中客车公司就宣称其生产的A350XWB机型的飞机有超过1000种零部件是用3D打印技术生产的；科学家和医生能够用3D打印机根据病人的体貌特征，“定制级”地打印出各类植入物，为病人做移植手术。
在3D打印技术方面，美国科学家最近在生物医学领域又有了新的突破。在2月15日提前在线发表在《自然生物技术》（NatureBiotechnology）杂志上的一篇论文中，美国维克森林大学（WakeForestUniversity）再生医学研究所的科学家报告了他们研发出的一款3D生物打印机。使用这种“集成型组织-器官打印机”（IntegratedTissue-OrganPrinter），研究人员成功地打印出了大尺寸的“活”的组织，包括一个外耳形状的软骨、下颚骨、头盖骨以及肌肉组织。把这些组织移植到老鼠身上后，这些组织都能够长时间地存活下来，并且逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出组织甚至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。
生物打印的困境
3D生物打印机和常规的3D打印机的原理完全一样，也是根据预先设计好的打印程序把“墨水”逐层打印出来，最终得到需要打印的物体。与常规的3D打印机之间的区别在“墨水”上：3D生物打印机的“墨水”通常都是各类生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料。根据不同的打印目的，在打印时这些材料中有时还会包含有活的细胞。这些生物或者人工合成材料的作用有的是为细胞提供一定程度的保护、促进它们的生长，其它一些材料则是扮演“骨骼”的角色，把打印出的组织“撑”起来，防止其“坍塌”。由于打印时需要保证不破坏这些生物材料和细胞的生物学活性，所以3D生物打印机对打印条件的要求更为苛刻（比如打印温度不能过高，打印时间要尽量短等等）。
“集成型组织-器官打印机”并不是科研人员研发出的第一款3D生物打印机。科学家一直以来都在致力于使用生物材料和细胞作为“墨水”打印出组织甚至器官。如果能够打印出组织或者器官，科学家不仅能够使用它们对各种疾病进行研究，而且还能把它们用于检测新研发的药物的疗效和毒副作用，甚至还能将这些组织和器官移植到病人的体内，减轻病人的痛苦、挽救病人的生命。
遗憾的是，长期以来，这些尝试都面临着很大的困难。由于不同“墨水”的化学和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印机（现有的3D生物打印机“喷洒”“墨水”的原理不止一种，比如有的类似于普通的喷墨打印机，有的“喷洒”“墨水”的方式更像挤牙膏）也有各自的优缺点，此前的3D生物打印机要么打印出的组织厚度有限，要么难于打印出外形复杂的组织。
另一方面，打印出的组织要长期“存活”，其中的细胞必须要源源不断地获取营养物质和氧气。由于打印出的组织中没有血管，所以组织深处的细胞要获取这两类物质只能依赖于它们自己扩散到细胞所在的位置。科学研究发现，在3D打印出的组织中，营养物质和氧气的扩散极限只有100-200微米（0.1-0.2毫米），这个限制使此前打印出的组织通常尺度都极其微小，多数都停留在毫米级，很多甚至不足1毫米。
研究团队的领导者阿塔拉（AnthonyAtala）。（南方周末资料图/图）
“完美配方”和两套“骨骼”
在这项新的研究中，科学家通过两种策略解决了这些难题。
首先，他们同时选取了多种生物材料来为细胞提供保护，支持细胞的生长。在打印前，这些生物材料和细胞会被混合到一起，形成一种复合水凝胶（hydrogel），作为打印时的一种“墨水”。经过不断的尝试，科学家为这种“鸡尾酒”中不同成分的比例找到了一种恰到好处的配方。这种配方的“墨水”无论是在均匀性、黏稠度、细胞在其中的存活率还是为打印机提供的分辨率上都非常得令人满意（根据需要打印的组织的种类，科学家优化出了各不相同的配方）。
在三维结构上，科学家为打印的组织制备了两套“骨骼”。
在打印的组织的内部，科学家使用一种合成材料为打印的组织提供支撑。在打印时，先用这种材料打印出一层一层外观类似纱窗的支撑网，随后再把含有细胞的复合水凝胶打印到支撑网的网眼里（实际上，根据所打印的组织的种类，这项研究采取了两种不同的“内骨骼”排布策略，这只是其中的一种）。这种策略为打印出的组织提供了强大的“内骨骼”。
为了进一步给组织提供支撑，科学家还使用另一种合成材料在整个组织的外周打印了一套“外骨骼”，防止组织在打印时发生大尺度层面上的“坍塌”。这套“外骨骼”更像是腿骨骨折病人的一根拐杖。和病人痊愈后就不再需要拐杖帮助站立一样，这个“外骨骼”只是在打印过程中和打印完成后的一段时间里为组织提供支撑。在打印完成并用特定的方式进一步“加固”组织之后，科学家会用液体把这些“外骨骼”洗掉，让打印的组织完全靠自己“站起来”。
