打印一个会呼吸的肺

美国科学家利用一种叫做投影立体光刻的3D生物打印技术，制作出一个具有多血管网络、具备“呼吸”功能的小型3D打印肺脏模型。这一重大突破对于研发可供移植的3D打印器官具有非凡的意义。

南方周末特约撰稿 汤波

器官移植是20世纪以来最伟大的医学成就之一，但是器官供体严重短缺是全球性难题。科学家开发出一种基于患者自身细胞的人体器官3D打印技术，为苦苦等待器官供体的患者带来了新的希望。近日，美国赖斯大学和华盛顿大学等机构的研究人员利用3D生物打印技术，成功打印出第一个具备“呼吸”功能的3D肺脏模型，成为近年来如火如荼的3D生物打印研究领域最令人瞩目的进展，将来患者甚至可以定制完全与自己匹配的3D打印器官。

3D打印技术带来希望

从20世纪50年代开始，器官移植技术日益成熟，挽救了全球数以百万计患者的生命。据美国器官捐献网站统计，2018年美国共开展器官移植3.65万例，而每年等待器官移植供体的患者多达12万，器官短缺较为严重，每天大约有20人在等待器官过程中死亡。我国是世界上器官捐献和开展器官移植数量第二多的国家，2018年共完成器官移植2万余例，但是我国每年约有30万器官衰竭患者需要进行器官移植，因此器官供体缺口更大。3D生物打印技术为那些长时间等待器官供体的患者带来了新的希望。

3D生物打印技术是利用计算机模拟技术，参考真实组织器官的结构，通过3D生物打印设备，像喷墨打印机打印纸张一样，将可降解的、具有生物相容性的非生物材料批量制作成具有三维立体结构的细胞脚手架，然后让某些细胞在脚手架上生长并融合成组织或器官，再将细胞脚手架的非生物材料冲洗或生物降解，留下的就是与真实器官结构和功能相似的3D打印组织或器官。

自21世纪初开始兴起以来，3D生物打印技术在骨骼、软骨组织、关节、皮肤、耳廓甚至心脏瓣膜等人体组织上展现出巨大的应用潜力，并取得初步成功。除了药物筛选、手术规划、医学教学等用途，一些3D打印组织也开始进入临床应用阶段。但是，制作可供移植的3D打印器官则是3D生物打印技术的国际难题，特别是肺脏、心脏和肝脏等实体器官。因为这些实体器官结构复杂，器官内部布满细微的毛细血管。对这些实体器官进行3D打印时，不仅需要模拟相似的器官框架结构，更关键的是必须形成复杂的毛细血管网络，使得3D打印器官血管化，最终将氧气和营养成分运送到器官各处，并将器官产生的废气和废料运送出来，这样才能让3D打印器官具备它们应有的生理功能。

能“呼吸”的3D打印肺泡

2019年5月3日，来自美国莱斯大学和华盛顿大学等研究机构的科学家在著名的《科学》杂志上宣布，他们利用一种叫做投影立体光刻的3D生物打印技术，制作出一个具有多血管网络、具备“呼吸”功能的小型3D打印肺脏模型。

为了制备这种3D打印肺脏模型，研究人员首先对细胞脚手架的材料进行了筛选。由水和聚（乙二醇）二丙烯酸酯组成的水凝胶是3D生物打印最常用的基础打印材料之一，就像纸张打印机的黑色喷墨。不同的是，水凝胶可以从液态变成固态，在光线的作用下逐层固化，从而实现所打印组织或器官模型的立体化。为了刻印血管网络，需要添加光吸收材料，但是有些化学材料存在细胞毒性，不能用于生物打印。于是，莱斯大学的研究人员筛选了一些广泛应用的食品染色剂，如柠檬黄、姜黄素或花色素苷等材料，最后确认柠檬黄效果比较好，能显著提高立体光刻的效率和精确性。研究人员之所以选择食品染色剂作为光吸收材料，一方面是因为这些食品染色剂具有较好的生物相容性，另一方面则是因为这些染色剂易于冲洗或降解，便于后续操作。

该模型并非整个肺脏，只是模拟一个肺泡结构，大小跟一枚五角硬币相近，但是其中有很多相互缠绕的微细中空管道，包括“血管”和“气管”，最细的管道直径可达1毫米。这一3D肺泡模型就像一个红色网袋包裹着一个中空气囊，红色网袋模拟血管系统，气囊相当于通往肺泡的气管，可以允许氧气进出并渗入周边的“血管”，以使红细胞结合氧。这个3D打印肺泡的制备过程大约为1个小时，如果通过上述方法制备更多的3D打印肺泡，即可组装成一个3D打印肺脏模型。

为了验证这种3D肺泡模型血管和气管系统能否相互配合，能否让3D肺泡发挥基本的生理功能，研究人员将脱氧的人红细胞注入这些微细管道，同时在气囊管道中注入气态氧，结果发现，入口处血红细胞颜色由深红色变成出口处的鲜红色，即富氧红细胞，说明3D打印肺泡能实现氧气的交换；氧含量测定也表明，流经这个3D打印肺泡模型的血管之后，红细胞可以将3D打印肺泡气道中的氧气运送出去，即实现了肺脏的“呼吸”功能，相应地，该3D打印肺泡模型还可像真实肺泡呼吸时一样进行扩展和收缩。

制造3D打印器官模型的最终目的是让人体细胞正常生长、分化、形成组织乃至构建接近真实的器官结构。研究人员将人间充质干细胞植入该3D打印肺泡中进行培养，结果这些干细胞能正常生长和分化。更进一步，研究人员还利用类似方法制备出一小块具有多血管系统的小鼠3D打印肝脏组织，并将其移植到肝脏受损的小鼠体内，结果两周后，这些3D打印肝脏的细胞能在小鼠体内正常生长，并发挥肝脏的基本功能。

这些研究是科学家首次利用3D生物打印技术制作出具备生理功能的3D打印实体器官，对于研发可供移植的3D打印器官具有重大的借鉴意义，因此登上了著名的《科学》杂志封面。

什么器官都能打印

除了肺脏，世界各国的科学家也在争先恐后地开展其他的3D打印器官研究。据最近一份印度市场分析报告显示，预计到2023年，全球3D生物打印市场将达到19亿美元，来自美国、欧盟、中国、日本、以色列等国家和地区的公司和研究机构是这一领域的主要参与者。

据美国CBS新闻网2019年4月中旬报道，以色列特拉维夫大学的研究人员利用3D生物打印技术，制备出一个相当于兔子心脏大小的3D打印心脏，不仅包括多种活的心脏细胞，还包括血管和其他支撑结构，以及左右心室，具备了心脏的基本解剖结构，以及机械稳定性和坚固性。该心脏模型所有细胞均来自于一个患者的脂肪组织，研究人员将脂肪组织转化形成干细胞，再由干细胞分化成不同的心脏细胞。这样利用患者自身干细胞形成的组织和器官进行心脏修补或移植时，可以显著减少免疫排斥反应。这个只有2.5厘米长的3D打印心脏模型可以进行液体灌注，不过并不具备泵送血液等生理功能。这是科学家首次利用真实的生物材料制成的3D打印心脏模型，证明了未来在设计个性化组织和器官的潜力。以色列的科学家希望进一步改进这一技术，将来能修复患者受损的心脏，以治疗相关的心脏病。

食管切除术是食道癌的主要治疗手段，但是现有人工食道大多缺乏生物相容性。据2019年3月一篇发表在《科学公共图书馆·综合（PLOS ONE）》的论文显示，日本长崎大学的研究人员利用3D打印技术，将人皮肤成纤维细胞、人食道平滑肌细胞、人骨髓来源的间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞作为细胞来源，制备出一种全细胞组成的3D打印食道，并移植到大鼠体内，证明这种3D打印食道能有效替代大鼠的食道。

2019年1月，哈佛大学的一个科研团队也制备了3D打印肾小管模型，这些3D打印肾小管含有与真实肾小管相似的上皮细胞和内皮细胞形态，以及管腔结构，可以进行连续灌注，还能模拟人体肾脏重吸收功能，将葡萄糖转运至相邻的血管。该研究发表在《美国科学院院刊》上。

科学家不仅在地面实验室开展激烈竞争，也将这种3D生物打印研究的竞争引入太空。据俄罗斯国际电视广播网报道，2018年12月初，俄罗斯首次在太空国际空间站，利用3D打印技术将干细胞和其他材料打印成人类软骨组织和啮齿动物甲状腺。俄罗斯研究人员认为在微重力环境下，3D打印的生物组织更符合正常尺寸，这些生物打印组织将可用于研究辐射对身体有何影响等问题，更希望将来这些生物打印组织能达到医学应用水平，为修复长时间太空航行的宇航员受损组织提供帮助。该报道还称，美国也计划在近期开展太空3D生物打印研究。

值得一提的是，美国加州一家生物技术公司看准3D生产打印的市场，开发出一种3D预血管组织系统，即可根据客户需要，3D打印出各种含有毛细血管结构的三维细胞脚手架，使得原来在二维空间生长的细胞，可以在三维空间生长，从而更好地模拟体内组织，可用于新药的筛选、毒理学研究、肿瘤免疫疗法开发等等方面。

血管化3D打印器官何时能进入临床应用呢？莱斯大学副教授乔丹·米勒博士对媒体表示，随着技术的成熟，目前可以对人体任何复杂的组织和器官进行精准的3D打印，希望这种3D打印器官在未来20年内实现临床应用。尽管这种3D打印器官离真正临床应用还有待时日，不过很多科学家正在快马加鞭，希望能尽快实现这一梦想。