细胞变墨水，3D打印器官在移植

许文凯

3D打印应用广泛“无所不能”

3D打印技术已经有将近20年的历史，使得多功能、个性化的创意设计成为现实。现在的“3D食物打印机”已可以实现放入食品原料，输入菜谱后输出美味佳肴；“3D塑料打印机”使得各种奇形怪状的玩具、珠宝等塑料品进入人们的生活；环保又安全的3D打印汽车不再是科幻电影中的某个场景；各种个性款式的衣服也可以通过3D打印机来实现。总而言之，3D打印引领了个性化时代，应用广泛，几乎无所不能。而其中一个非常重要的领域就是3D打印在医学上的应用，3D生物打印机更是掀起了医疗界的又一场革命，它是等待器官捐献患者的一大福音。

3D打印的基本工作原理

所谓3D打印即是一种通过前期的计算机设计，利用喷墨打印的方式打印出真实三维立体结构的技术，简单说就是电脑和打印机的结合。通过前期计算机关于物体的结构、形状和颜色等各个细节的设计，再到后端的打印设备（也就是我们通常称为的3D打印机），打印机的喷头根据电脑中的空间扫描图或三维设计立体虚拟图慢慢喷出所用原材料到多个薄层上，像“叠罗汉”一样层层将二维图像砌成精确率极高的立体实物，这种工艺与激光成型技术类似，都是采用分层加工和叠加成型的两步，实质就是二维平面印刷的叠加，将计算机设计的图像打印出平面的层（最薄的层可以达到100μm厚度），层与层之间根据要求再添加一些诸如聚酰胺塑料粉、钛粉等特殊粒子，通过离子束或电子束使得层与层之间紧密胶合形成最终的立体实物。其与传统的去除材料减法工艺完全不同，完全省去了金属切割、研磨打孔等繁琐的工艺环节，同时赋予设计制作无穷的设计自由，只有设计不出来的，没有打印不出来的。同时还有一种方法也可以形成三维立体结构，通过激光或胶水先造出一个材料为树脂、金属或塑料的三维结构模型，然后根据具体的计算模型往上一点点添加原材料，这种三维印刷技术又叫做“添加印刷技术”。

3D打印在医学上的应用

3D打印在医学上的应用原理

3D打印在医学上的应用，同样基于上述基本原理，通过对连续物理层的创建获得细胞组织甚至是器官。具体也是分层加工和叠加成型两步，首先在需要成型的区域喷洒液滴非常小且不易扩散的“特殊胶水”，随后均匀喷洒一层粉末，有胶水的地方类似于阳图中的文字部分迅速固化凝结，无胶水部分保持松散状态，类似于空白部分，在后期处理过程中再去掉。这样层层胶体叠加，实体模型被打印出来。只不过在生物打印上，具体的材料则由传统的耗材改为生物耗材。

3D打印在医学上的原料

在生物打印中，所用材料分别被称为“生物墨”和“生物纸”，其中生物纸主要成分就是水的凝胶，它包含两种糖分子链，当添加一种反应性的化学物质时，两种链发生交联作用得到一种无纺布化学等价物，从而在几分钟之内从液体变成凝胶，其破裂形成碎片再重新建造的过程为细胞增值生长组织重生提供骨架，也可以使用“热逆”凝胶（一种无毒、可以进行生物降解的黏合剂，具有逆热的特性，温度低于20℃时呈液态，高于20℃则呈固态）；生物油墨则是从骨髓或脂肪中按照相应要求提取的干细胞，然后将其放在一个营养丰富的液体环境中，通过不同类型的成长因子培养分化为不同类型的细胞，如血管和心瓣膜的细胞，将这些细胞分散成液滴状以供喷墨打印使用（保持每个液滴具有1到3万个细胞的黏稠度），同时对喷墨头的性能也具有一定的要求，必须能够保持一定速度和数量的喷射出人体细胞（通常细胞以1inch/s的速度射出，加速度可达到1000倍重力），这就满足了生物打印的油墨要求。

3D打印出细胞器官的工作流程

生物纸和生物墨提供好以后，相关技术人员通过测量病人的伤口等诊断工作获取相关数据，输入计算机计算设计出相应模型，确定最终需要的细胞数量范围和模型分布，按照要求将足够的细胞装入生物打印机的“墨盒”中，充当油墨的细胞和充当纸张的液体水凝胶能够融合连接在一起，彼此接触慢慢形成水凝胶固体层，最后在计算机设计的三维模型的控制下足够的固体层层层叠加，细胞融合到组织形成三维空间结构，得到最终的打印品。这就以喷墨印刷的方式，完成了“墨盒”中相应组织细胞的“定点植入”，这就是3D打印实现器官细胞打印的整个过程。简单来说，就是将细胞打印在培养皿中得到的液体水凝胶上，打印机反复添加液体、化学成分和细胞，一层层地把组织层制造出来，最终叠加创造出三维的生物机体，具体流程如图1和图2所示。

生物器官打印的所要思考的问题

通过3D打印来实现生物器官的按需印刷，利用所需要的细胞来进行组织和器官的再造，在理论上是完全行得通的，而且已经有相关实验取得成功，误差可以控制在20微米以内，得到的器官也可以显著降低排异反应。但应该看到，这种打印机目前还处于实验阶段，也只是复制一些简单的器官，比如皮肤、肌肉和较短的血管等，而且主要以研究为目的，包括动脉和静脉血管以及其他身体器官等较为复杂的器官，如何制造并改进是值得思考研究的。有相关文献上写到对于复杂的器官，可以先用水溶性材料打印一个用于排列细胞的“支架”，通过细胞的排列来完成器官的再造，一旦完成打印就清洗掉支架，进而可以实现随时更换器官的远景目标。再者复制器官内部错综复杂的滋养器官为器官供养的血管网络同样是非常困难的，这对计算机模型的设计人员和电脑本身的数据处理软件开发人员提出了巨大的挑战，为此相关文献提出最好的办法可能是打印出一个器官最大的连接性血管，然后给那些大血管细胞留出充足的时间、空间和理想环境自造剩余血管，足够大的空间同时可以保证在打印的过程中为细胞提供充足的氧气和养分，解决了复杂器官的正常循环和新陈代谢，最终器官便可以被植入体内，经科学家预测，通过世界上第一台“三维生物印刷机”可在2015年内“印刷”出直接用于心脏搭桥手术需要的动脉，在2020年内“印刷”出心脏和肝脏等重要器官。

生物印刷作为新兴技术为印刷又开辟了一片新的领域，其通过印刷的方式得到生物材料和生物芯片，利用与传统喷墨印刷设备相同的精密度及多层技术，使用特别设计的喷墨印刷设备，得到了人造血管和活细胞；利用“器官印刷”技术来得到器官供体。作为新兴领域内一项伟大技术，其正在努力尝试，随着技术的进一步成熟，相信会得到一定的突破。但无论如何，其为印刷指明了多领域渗透和交叉的发展方向。细胞变墨水，3D打印器官在移植，让印刷人拭目以待！endprint