打印“活物”

2014-02-24涂皘

少年科学 2014年1期

涂皘

“活物”打印年表

2000年，自诩为“生物打印之父”的美国克莱姆森大学生物工程师托马斯·博兰开启了“活物”打印的新纪元。他改装了一台实验室中的惠普喷墨打印机，先后把大肠杆菌、哺乳动物细胞装进墨盒进行打印，结果发现有90%的细胞存活。博兰德此举并非出于好玩，因为在他之后，越来越多的科学家认识到打印机与再生医学之间存在着的“某种关联”，并逐渐将打印方式由二维衍生到了三维。

打印原料是“活”的

你可别被3D生物打印机搞懵了——生命绝对不是这样轻而易举就能创造的。事实上，并不是3D生物打印机“赋予”成品以生命的，打印的原材料本身就是“活”的。

普通3D打印机用的“墨水”是各种材料，例如金属、塑料、陶瓷等，经过喷嘴处高温或激光处理，“墨水”呈熔融状态，像被抽丝剥茧般从喷嘴处喷出。待打印完成，“墨水”冷凝，便形成了立体结构。

金属、塑料、陶瓷都是没有生命的，而3D生物打印机需要的“生物墨水”却是如假包换的生命——细胞。打印什么组织就用什么组织的细胞：制造软骨的“生物墨水”中含有软骨细胞，打印膀胱的“生物墨水”中含有构成膀胱的两种混合细胞，肝实质细胞则是制备肝脏组织“生物墨水”的主要成分。通常，一滴生物墨水中含有1万至3万个细胞。

层层堆砌的打印

与其他3D打印机类似，3D生物打印机的工作原理也是“层层堆砌”：将一张张“薄片”不断叠加，逐渐累积成为一个立体实物。

面对这般如同盖房子似的工程，或许你会心存疑问：砖头之间是靠水泥和砂浆黏结的，那么细胞之间靠什么“团结”在一起呢？原来，要让打印后的细胞“手拉手”塑型成块，还需要在墨水中添加一种水凝胶的成分。

水凝胶有两个用途：其一，起到胶水的作用，帮助细胞粘连；其二，是器官模型的支架，在塑型完成后可自然降解。为此，有些型号的3D生物打印机有两个墨盒，分别装有生物墨水和水凝胶，并连接着两个喷嘴。

我们以打印一根血管为例，来看看3D打印如何制造“活物”。首先，血管细胞按照设定好的程序，在水凝胶上“打印”成环状；接着，覆盖一层水凝胶，在其之上再打印一圈血管细胞；不断重复这个过程，直到打印出来的血管长度符合所需；最后，将水凝胶降解，堆积的血管细胞开始重新组织、融合，形成新的血管。每根血管大约需要一小时形成，而融合在一起则需要数天时间。

器官打印的步骤

要打印一个器官，大致需要三大步骤。

第一步：建模过程。计算机辅助设计建模，通过对已有断层扫描或核磁共振等数据的三维重构，建立待打印器官的3D模型。

第二步：打印过程。在计算机的控制下，将细胞按模型堆积成为一个3D立体结构。

第三步：后处理过程。对打印后的器官进行灌注培养，不断“喂食”营养液，使其保持活力并进一步成熟，最终应用于人体植入。

定制你的专属器官

在传统的器官移植手术中，直系亲属的器官是首选，其次是捐献者的器官，但这两者的来源毕竟有限，且术后的排异反应令人心生胆怯。

毫无疑问，“用自己的器官”是器官移植手术发展的方向之一，3D生物打印为定制器官的实现提供了可能。一旦成功，它将造福千千万万的人，并对整个人类社会产生深远的影响。但从打印细胞到打印组织和器官，仍是一项艰难的挑战。

挑战一：从“单色打印”到“彩色打印”

绝大部分人体的器官不是由单一的细胞构成（如成人的肾脏由近30种细胞构成），且根据功能在不同区域集中分布。这就需要准备多种“生物墨水”，就像彩色打印机一样，有多个墨盒储存不同色彩的颜料。

挑战二：从“离体打印”到“在体打印”

在一起开放性颅脑外伤修复手术中，外科医生要先后对受损的大脑组织、敲碎的颅骨和撕裂的头皮组织进行修复。试想一下，在手术室架设一台3D生物打印机，进行修补手术的医生就可以直接在需要修复的部位打印人体组织，那将是多么神奇的场景呐！