3D打印人体器官

3D打印人体器官小男孩Kaiba的故事一名6周龄男婴在随父母外出时突发呼吸宭迫，随后被确诊为气管支气管软化症。面对这种少见但致命的疾病，这名名叫KaibaGionfriddo的美国男婴的主治医师显得束手无措。

面对采访的记者，Kaiba的母亲说，只要可以救Kaiba，“任何方法我们都愿意尝试”。于是Kaiba的医生找到了密歇根大学的Glenn

Green副教授和他的同事ScottHollister教授。2012年2月9日一个经3D打印、为Kaiba量身定做、聚己内酯材质的气管夹板被置入其体内，术后21天，Kaiba脱离了呼吸机。

这是发表于2013年5月23日的《N

Engl

J

Med》"来信（Letter）”栏目一篇短短的小文章背后的故事。伦斯勒理工学院的奇迹

美国伦斯勒理工学院（RensselaerPolytechnicInstitute）一位30岁的博士生Heather

Dewey-Hagborg正在研究电子艺术，她有收集人们遗留下DNA痕迹的古怪习惯。她在Genespace实验室将收集的碎屑中提取出DNA，而且对特定的基因序列进行测序；收集到的数据随后被输入到一个电脑程序中，这样就能够通过3D打印机制造出人们希望的真实大小的双螺旋DNA模型。首台生物打印机的诞生

事实上早在1994年，美国麻省理工学院的几位科研人员发明了这项技术。

2000年，美国克莱姆森大学（Clemson

University）的生物工程师

Thomas

Boland在自己的实验室中看到一台旧式利盟（Lexmark）打印机，想既然喷墨打印机可以打印基因，也许还可以打印其他生物材料。Boland清空打印机墨盒并填充上胶原，将一个薄薄的黑硅胶板粘在空白纸上并装入打印机。然后，打开一个Word文档将其名字首字母

敲了上去，开始打印。于是，灰白色的蛋白质清晰地在那张纸上勾勒出了“TB”字样。

同年，Boland及其团队又重新装配了一台惠普550C台式打印机以打印大肠杆菌。此后他们逐渐挑战更大的哺乳动物细胞，经打印后，约

90%的细胞仍能存活，这意味着，打印产物是有用的。2003年Boland申请到了细胞打印首个专利。

2012年7月9日，在BBC网站上的一段视频：美国威克森林大学安东尼·阿塔拉为人们展示在3D打印机下一块柔软的人类组织被打印出来。它的墨水可以是各种材料，比如金属、陶瓷、塑料、细胞、砂石等，甚至各种食物，通过高温或激光的方法，“墨水”被抽成丝状，随后这些半流体状态的材料，按照计算机三维模型，喷嘴按照X、Y、Z三个

坐标轴的定位点喷出，然后在指定的位置凝固成型；经过一层层堆积，模型就渐渐形成立体结构。

据安东尼的介绍：打印器官时，研究人员首先从成年患者的骨髓或脂肪中提取出干细胞，通过采用不同的生长因子，这些细胞能被分化成不同类型的其他细胞，然后再将这些细胞转化成液滴，制成“生物墨水”，通过注射器一层一层喷涂到凝胶支架上。但人体组织的结构较为复杂，既有肌肉细胞、神经细胞、血管组织细胞，又有特殊的结构细胞、纤维组织、脂肪等，想利用自体干细胞就能培育出完整的器官，如肾脏，这是不可能的，还有复杂的、大量的过程需要去完成。用胚胎干细胞制造人体组织

科学家们用胚胎干细胞培育出骨髓和皮肤。他们也开始努力研发一种可能变成新器官的更微妙胚胎结构。他们在实验室中用一种可调节的

“微型阀”制造多层人类胚胎细胞。改变喷嘴的直径可准确控制分配细胞的速度。从二维到三维的生物打印

尽管Boland的团队解决了细胞打印的问题，但生物组织和器官的立体性决定了生物打印绝非Boland所发明的二维打印机那么简单，于是，其他的生物工程师们仍继续改造着他们的打印机。工程师们拆除了喷墨打印机的送纸系统，转而添加一个由步进式电机控制的电梯式平台，这个平台可以沿Z轴上下移动。这样的打印机可以先打印一层细胞，然后将平台下移，在继续打印第二层，接着是第三层、第四层……。就这样，生物工程师们对生命的“描绘”由画布式的二维平面进展到雕刻式的三维立体。他们可以用陶瓷打印出骨移植物、用聚合物打印出假肢。

使用生物打印机的优势在于可以将细胞精确且准确地“推送”到需要的位置。例如，在烧伤伤口上直接使用便携式打印机打印皮肤移植物。虽然每一个伤口的形状和深度都不同，但通过测量伤口，就可以确定皮下组织大概需要几层细胞、表皮组织需要几层细胞，而后逐层打印出与伤口完美匹配的皮肤组织。生物打印机的困境与未来

生物工程师们对生物打印机功能探索的雄心，绝不会仅仅因为打印出陶瓷骨骼或者皮肤等简单的人体器官而满足。为解决全球日益增多等待器官移植的患者的需求，他们希望打印出心、肾等高度复杂的人体器官。

实际上，大多数器官的结构高度复杂，常常由几十种不同的细胞组成并发挥着各种不同功能，以肝脏为例，其所发挥的生物学功能多达

500种。

从技术上讲，通过沿Z轴逐层打印细胞的3D打印机可以“搭建”出有细胞“叠成”的组织或器官，但从生物学角度说，若想这些组织或器官适用于人体移植，则需要考虑如何将不同类型的细胞“打印”至适当的位置，以使其像胚胎一样逐渐发育成所想要的组织或器官。

还要考虑如何为这些细胞提高营养物质和氧气，即如何建造一个血液循环系统。这些仍是今天3D打印尚未完全克服的难题。但正如3D打印而获救的Kaiba，3D生物打印在医学领域已经发挥着、相信在未来会继续发挥着令人期待的作用，例如使用3D打印“肝脏组织”进行药物试验；3D打印出仅用有分泌胰岛素的内分泌细胞组成的胰腺组织治疗糖尿病；3D打印出长有肿瘤的器官，供医学生手术实习所用等等。

3D打印产业很早就已经出现。基于如下的构想：实现直接数码制造（Direct

Digital

Manufacturing，DDM）并使成品具有想象中的一切特性。但目前3D技术仅可在形状、颜色、材质发明具备创造自由度，而这些要素的组合，可能使机械、建筑、模型等具备类似实物的特性；但离功能实现还有很多细节需要研究。

现有3D打印技术成熟度低，多数公司采用逐层打印技术，层厚减小与速度提升不可兼得，且耗材较贵，上游激光源与特种耗材供应商的市场空间不大。在中国，有北京中诺远东科技、苏大维格等。

1，将内含数万个肝实质细胞的若干球形体组成的生物“墨汁”（A)装入第一个注射器，将促进细胞发育的非实质肝细胞以及促进这些细胞“喷射出”注射器的水凝胶作为生物“墨汁”（B)装入第二个注射器。

2，连接生物打印机的电脑软件控制与机器臂相连的步进电动机的运动以及装有第二个注射器的泵头（C)下移，即开始了模具的打印。模具看起来像排列成蜂巢图案的3个六边形。

3，当注射器沿着X、Y和Z轴移动时，一个位于打印表面旁边、大约火柴盒大小的三角测量传感器（D)将会追踪注射器尖部的位置。基于这种精确的定位信息，电脑软件可以判断第一个注射器是否应就位。

4，机器臂下移装有第一个注射器的泵头（E)，其将在蜂窝模具中填充肝实质细胞。

5，工程师将载有最多24个完整微组织（每个大约25微米厚）的培养板（F)置入孵箱开始培养，细胞持续“融合”，以形成某一特定组织（器官）的复杂结构。目前已经可以打印的组织与器官：耳代表团队：美国康奈尔大学

如何制作：首先对耳朵进行3D扫描，设计出一个具有7个部分组件的模具并打印，随后将由2.7亿个牛软骨细胞以及鼠尾胶原制成的高密度凝胶注入模具，其中胶原起到骨架作用。15分钟后，将灌注成型的耳朵移出模具，并进行为期数天的细胞培养。在3个月内，软骨将完成充分的扩增并取代胶原。

优势：小耳畸形的发病率大约为1/2.5万，由于外耳发育不良或畸形而导致失聪。不同于合成的移植物，人体细胞长成的耳更易与人体成功融合。肾：代表团队：美国维克弗斯特大学再生医学研究所

如何制作：3D打印机在使用生物降解材料搭建骨架的同时，将肾活检所得细胞培养而成的多种类型肾脏细胞“移植于”骨架中。将打印完成的最终产物进行孵育培养。当将肾脏组织植入人体后，随着功能组织的生长，骨架将逐渐降解。

优势：在美国，肾移植患者大约占所有等待器官移植患者的80%。生物打印而成肾脏一旦具备功能性，将意味着，在某一天，医生可以为每位患者提供完美匹配的移植肾。血管：代表团队：美国宾夕法尼亚大学与麻省理工学院

如何制作：使用3D打印首先在载玻片上打印出一个糖丝网络，并用源于玉米材质、可降解的一层薄薄聚合物包被固定该糖丝网络，而后将含有组织细胞的凝胶灌入糖丝模具中。待凝固后，用水冲洗以融掉糖分，最后可以得到中空的管道系统。优势：鉴于血管具有维持组织和器官活性的功能，了解如何打印更大、更强有力的血管系统是实现全器官生物打印的关键所在。皮肤移植物：代表团队：美国维克菲斯特大学再生医学研究所

如何制作：首先，使用生物打印机扫描并测量患者伤处。一个“喷墨阀”喷射凝血酶，另一个喷射混有胶原蛋白和纤维蛋白原的细胞（凝血酶和纤维蛋白原相互作用，产生血纤维蛋白凝固剂）。然后，打印机逐层打印人成纤维细胞和角质形成细胞。

优势：若进行传统皮肤移植，医生需要将患者身体某处的皮肤取下，而后再拼接到患处。美国维克弗斯特大学的研究者希望可以在患处直接打印出新的皮肤。其最终目的是设计出一种便携式打印机，用于战场和灾区。骨：代表团队：美国华盛顿州立大学

如何制作：研究者使用陶瓷粉末打印出骨架，并在骨架外喷射一层塑料粘合剂，在1250℃的高温下，将上述结构烘烤120分钟，然后将其置入盛有人骨细胞的培养基中，一天后，细胞开始在骨架上生长。

优势：每年数以百万计的车祸幸存者都会遭受复合型骨折的折磨，而传统方法修复效果不佳。在磁共振成像引导下，医生可以打印出与伤者完美匹配的个性化移植物。

克隆技术可制造胚胎干细胞，或具有胚胎干细胞特性，含有遗传编程的细胞，用这样的细胞制造出人造组织或器官，可被植入患者体内而不会引发危险的免疫反应。但迄今为止，人体干细胞的话题过于敏感，所以暂时不能做到这点；但这是我们希望实现的科学发展！

发表于《Nature》周刊（2014年1月31日）的最新研究显示，日本理研发育生物学中心的科学家，将皮肤或成熟血细胞浸泡到pH5.5的弱柠檬酸中不到30分钟，就能促使它们在接下来的48小时内恢复到一种类似胚胎干细胞的不成熟状态。研究人员称之为“STAP干细胞”的细胞随后被置于生长液中培养，并最终发育成多种完全成熟的细胞。当这些细胞被注入一个早期的老鼠胚胎中时，它们变得与真正的胚胎干细胞一模一样，特性也差不多，可以生成包括神经细胞在内的各种组织细胞。

这种方法与制造所谓的诱导性多能干细胞相比，要便宜、迅速和简单得多，因为制造诱导性多能干细胞需要用复杂的基因技术。这项技术预计同样也可应用于人类。相应访谈问：您能介绍一下Kaiba目前的健康状况吗？

美国密歇根大学小儿耳鼻喉科副教授Green答：Kaiba正在健康成长，他的呼吸问题已经完全解决。基于当初夹板的设计，他的气管正在继续发育。

问：我们知道您和您的团队已在