3D打印器官組織模型并非難事，但要想打印出具有生物活性的器官組織卻不簡單。不過，美國維克森林大學再生醫(yī)學研究所最新研發(fā)出的改進版3D生物打印機或許可以化繁為簡。
該校研發(fā)的“一體式組織?器官打印系統(tǒng)”（ITOP）可以在打印出的組織內部構造微型通道。在器官的初步成長中，這些微型通道可以提供血管的功能，使營養(yǎng)物質和氧分子抵達器官內部的細胞。
“這一打印機可以制造出穩(wěn)定、符合人體尺寸的任何形狀的組織。未來，這一技術將可以打印活體組織和器官結構，用于器官移植手術�！表椖控撠熑税矕|尼?阿塔拉說。
不過，微通道離真正意義上的血管還有很大距離，但ITOP的各種技術突破仍然給3D生物打印帶來更多思路。
多項技術獲突破
3D生物打印機是一種以生成具有功能性的組織和器官為目標，可以按分層圖樣打印細胞的機器。然而，很多此類產(chǎn)物在結構上都不穩(wěn)定，以至于無法進行手術植入。另外，由于很多打印產(chǎn)物缺乏血管，它們的大小受到營養(yǎng)物質和氧氣的擴散限制，所以只能做到200微米左右，這樣的尺寸對于制作人體組織和器官來說都實在太小。
阿塔拉研究團隊為解決上述問題，把細胞和可生物降解的聚合物材料一起打印，聚合物材料在新形成的組織成熟之前，提供了機械強度。為了克服尺寸限制從而打印出足夠大的組織，研究團隊還在打印構建體的設計中融合了微通道，這樣養(yǎng)分和氧氣可以輸送到打印出的結構中任何部位的細胞中。
在中國科學院物理研究所?重慶大學生物3-D打印聯(lián)合研發(fā)團隊的負責人劉靂宇看來，ITOP最突出的優(yōu)勢就是集中整個打印過程于一體，實現(xiàn)了細胞與骨架的同時打印。
“現(xiàn)在3D生物打印是先打出結構，再注入細胞，而ITOP可以實現(xiàn)細胞合并材料的同時打印，并保證了細胞的存活性。這樣的話，整個結構就成為一個動態(tài)的活性結構，細胞會在里面不停地生長，并最終發(fā)展成我們所設計的器官或組織的樣子，這是一個很大的突破�！眲㈧Z宇對《中國科學報》記者分析稱。
為了測試打印效果，研究團隊將3D打印的“耳朵”植入在小白鼠皮下，兩個月后，植入的耳朵不僅保持形狀，還生成了適當?shù)能浌墙M織。而另一部分打印并移植的肌肉組織，僅用了兩周時間，就在小白鼠體內引起神經(jīng)形成。
在劉靂宇看來，沒有生物活性就不是真正意義上的生物打印。ITOP利用構造出的微管道來為細胞存活提供必需的養(yǎng)分，并從臨床上證明了其打印出來的結構具備生物兼容性，不會有排異反應，這是一個令人振奮的成果。
不僅如此，劉靂宇還表示，利用已有成像技術3D掃描形成打印所需數(shù)字模板、多噴頭協(xié)同工作、利用不同打印方式和培養(yǎng)環(huán)境來控制細胞分化和組織，這些都是ITOP對比現(xiàn)有3D生物打印所具備的強勁特色。
血管打印是難點
雖然研究人員在試驗中使用人類細胞及兔子、老鼠等動物的細胞進行人造器官組織打印，都取得了不錯的效果，但正如阿塔拉所述：“目前，這項技術還處于早期試驗階段，須進一步改善�！�
重慶大學教授劉如川表示，ITOP只是嘗試了幾類組織/器官的打印，雖然在一定程度上利用了細胞自發(fā)行為，并知道這幾類組織/器官3D打印及后續(xù)培養(yǎng)條件，但沒有完全掌控其中的細胞分化或組織機制，對于其他組織/器官仍需大量實驗摸索條件。
另外，ITOP只是打印出了一些微通道，并沒有涉及到組織/器官中所需的血管的打印，離真正意義上的血管/毛細血管還有艱難的一大步要走。
“血管有很多功能，第一要有彈性，第二能夠交換很多營養(yǎng)和物質，所以血管打印是一個難點�！眲⑷绱ㄕf，“文章中雖然粗淺地提到有血管生成，但是不是水凝膠材料能夠誘導血管生長，目前并不確定�！�
不僅如此，劉如川稱，ITOP還沒有涉及到心臟（及其他循環(huán)系統(tǒng)中的組織）、大腦（神經(jīng)網(wǎng)絡）、呼吸系統(tǒng)中的肺泡等，所有這些都與管道、網(wǎng)絡相關，也是3D生物打印的終極目標，ITOP要想摘得3D生物打印的“皇冠”還很困難。
中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長周功耀對此也持謹慎態(tài)度。他表示，生物技術領域還有很多人類沒能掌握、沒有探究到的信息。即使人工器官在體外功能正常，一旦植入體內，是否能運作、是否產(chǎn)生毒素以及有哪些副作用目前都不得而知。
“人體系統(tǒng)非常復雜，不到萬不得已不能用有限技術制成的器官去對接無限復雜的人體系統(tǒng)，應對生命是3D生物打印發(fā)展的第一大困難�！敝芄σf，“3D生物打印的一些前瞻性研究和個體實例出現(xiàn)是好事，但在植入人體前還要做大量實驗、積累并分析大量數(shù)據(jù)，要做的事情還有很多�！�
路徑探索
當前，3D生物打印主要應用于打印心臟、肝、腎等手術對照模型，但在大多數(shù)專家看來，面向植入生物體的生物兼容性材料，或者以細胞為材料的打印技術，才算得上真正意義上的3D生物打印。
“3D生物打印能否取得突破關鍵取決于材料。”劉靂宇將大部分精力集中到材料研究上，在他看來，3D生物打印的材料決定了細胞在里面到底能夠存活多久，“目前研究人員大多集中在水凝膠材料上，其實最理想的材料是長完之后不會留任何殘余，而是跟人體完全融合的材料�！�
中國科學院動物研究所研究員趙同標則對《中國科學報》記者表示，細胞來源也是3D生物打印非常重要的方面。成體干細胞將是主要方向，而不能去用一些末端成熟的細胞。成體干細胞在生物材料上還能繼續(xù)發(fā)育分化，形成末端成熟的細胞與組織器官一致，如果應用于人體內，很可能會形成統(tǒng)一的功能整合體。
另外，如何像上帝之手一樣設計器官，并控制細胞長成我們精準預料的器官，也是3D生物打印未來的突破點�！斑@就像蒸饅頭，雖然做的時候是一個小點，但蒸出來的饅頭要跟我想象的大小、形狀一模一樣，這就是難點�！眲㈧Z宇形象地比喻。
劉靂宇表示，未來，3D生物打印更多的是要與臨床相結合用于疾病的治療，組織修復無疑是其大方向之一。除此之外，利用3D打印在體外做出個體病人病變組織模型，來進行病變機制研究（比如癌癥侵襲及預測）、藥物嘗試篩選等，實現(xiàn)針對不同個體的精準醫(yī)療，也將是主要研究方向。
“3D生物打印跟其他打印不一樣，未來不一定要實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，而是更趨向于個體化、精準化，因此不需要在成本上太過糾結。當然它一定要安全和有效，因為它跟人的生命息息相關�！眲㈧Z宇補充道。
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