打印“活”組織 3D打印醫(yī)療又獲新突破

3D打印，在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，道具、模型、醫(yī)療用品也越來(lái)越常見(jiàn)。在人體器官代替物方面，也有一些成功的案例，如復(fù)制人體骨骼，制作義肢等。近日，美國(guó)科學(xué)家研發(fā)出了一款可以打印大尺寸“活”組織的3D打印機(jī)，這些組織移植到老鼠身上后能夠長(zhǎng)時(shí)間地存活，并逐漸“融入”到了周?chē)慕M織里。這項(xiàng)新的突破使科學(xué)家距離3D打印出真正的組織乃至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。

1986 年，美國(guó)人查爾斯·赫爾(Charles Hull)發(fā)明了3D打印技術(shù)。在隨后的30年間，尤其是進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的進(jìn)展，3D打印技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。如今，你能在網(wǎng)上下載到各式各樣的3D模型文件，用3D打印機(jī)為自己打印一個(gè)小擺件。但3D打印技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止局限在給人們的生活增添一抹亮色上：設(shè)計(jì)師可以用3D打印機(jī)把自己設(shè)計(jì)的作品的模型打印出來(lái)，讓客戶有更加直觀的體驗(yàn);在工業(yè)生產(chǎn)上，有越來(lái)越多的零部件的生產(chǎn)正在使用著3D打印技術(shù)，比如，空中客車(chē)公司就宣稱其生產(chǎn)的A350 XWB機(jī)型的飛機(jī)有超過(guò)1000種零部件是用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的;科學(xué)家和醫(yī)生能夠用3D打印機(jī)根據(jù)病人的體貌特征，“定制級(jí)”地打印出各類(lèi)植入物，為病人做移植手術(shù)。

在3D打印技術(shù)方面，美國(guó)科學(xué)家最近在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域又有了新的突破。在2月15日提前在線發(fā)表在《自然生物技術(shù)》(Nature Biotechnology)雜志上的一篇論文中，美國(guó)維克森林大學(xué)(Wake Forest University)再生醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家報(bào)告了他們研發(fā)出的一款3D生物打印機(jī)。使用這種“集成型組織-器官打印機(jī)”(Integrated Tissue-Organ Printer)，研究人員成功地打印出了大尺寸的“活”的組織，包括一個(gè)外耳形狀的軟骨、下顎骨、頭蓋骨以及肌肉組織。把這些組織移植到老鼠身上后，這些組織都能夠長(zhǎng)時(shí)間地存活下來(lái)，并且逐漸“融入”到了周?chē)慕M織里。這項(xiàng)新的突破使科學(xué)家距離3D打印出組織甚至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。

生物打印的困境

3D 生物打印機(jī)和常規(guī)的3D打印機(jī)的原理完全一樣，也是根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的打印程序把“墨水”逐層打印出來(lái)，最終得到需要打印的物體。與常規(guī)的3D打印機(jī)之間的區(qū)別在“墨水”上：3D生物打印機(jī)的“墨水”通常都是各類(lèi)生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料。根據(jù)不同的打印目的，在打印時(shí)這些材料中有時(shí)還會(huì)包含有活的細(xì)胞。這些生物或者人工合成材料的作用有的是為細(xì)胞提供一定程度的保護(hù)、促進(jìn)它們的生長(zhǎng)，其它一些材料則是扮演“骨骼”的角色，把打印出的組織 “撐”起來(lái)，防止其“坍塌”。由于打印時(shí)需要保證不破壞這些生物材料和細(xì)胞的生物學(xué)活性，所以3D生物打印機(jī)對(duì)打印條件的要求更為苛刻(比如打印溫度不能過(guò)高，打印時(shí)間要盡量短等等)。

“集成型組織-器官打印機(jī)”并不是科研人員研發(fā)出的第一款3D生物打印機(jī)。科學(xué)家一直以來(lái)都在致力于使用生物材料和細(xì)胞作為“墨水”打印出組織甚至器官。如果能夠打印出組織或者器官，科學(xué)家不僅能夠使用它們對(duì)各種疾病進(jìn)行研究，而且還能把它們用于檢測(cè)新研發(fā)的藥物的療效和毒副作用，甚至還能將這些組織和器官移植到病人的體內(nèi)，減輕病人的痛苦、挽救病人的生命。

遺憾的是，長(zhǎng)期以來(lái)，這些嘗試都面臨著很大的困難。由于不同“墨水”的化學(xué)和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印機(jī)(現(xiàn)有的3D生物打印機(jī)“噴灑”“墨水”的原理不止一種，比如有的類(lèi)似于普通的噴墨打印機(jī)，有的“噴灑”“墨水”的方式更像擠牙膏)也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，此前的3D生物打印機(jī)要么打印出的組織厚度有限，要么難于打印出外形復(fù)雜的組織。

另一方面，打印出的組織要長(zhǎng)期“存活”，其中的細(xì)胞必須要源源不斷地獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。由于打印出的組織中沒(méi)有血管，所以組織深處的細(xì)胞要獲取這兩類(lèi)物質(zhì)只能依賴于它們自己擴(kuò)散到細(xì)胞所在的位置。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在3D打印出的組織中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散極限只有100-200 微米(0.1-0.2毫米)，這個(gè)限制使此前打印出的組織通常尺度都極其微小，多數(shù)都停留在毫米級(jí)，很多甚至不足1毫米。

研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者阿塔拉(Anthony Atala)

“完美配方”和 兩套“骨骼”

在這項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家通過(guò)兩種策略解決了這些難題。

首先，他們同時(shí)選取了多種生物材料來(lái)為細(xì)胞提供保護(hù)，支持細(xì)胞的生長(zhǎng)。在打印前，這些生物材料和細(xì)胞會(huì)被混合到一起，形成一種復(fù)合水凝膠(hydrogel)，作為打印時(shí)的一種“墨水”。經(jīng)過(guò)不斷的嘗試，科學(xué)家為這種“雞尾酒”中不同成分的比例找到了一種恰到好處的配方。這種配方的“墨水”無(wú)論是在均勻性、黏稠度、細(xì)胞在其中的存活率還是為打印機(jī)提供的分辨率上都非常得令人滿意(根據(jù)需要打印的組織的種類(lèi)，科學(xué)家優(yōu)化出了各不相同的配方)。

在三維結(jié)構(gòu)上，科學(xué)家為打印的組織制備了兩套“骨骼”。

在打印的組織的內(nèi)部，科學(xué)家使用一種合成材料為打印的組織提供支撐。在打印時(shí)，先用這種材料打印出一層一層外觀類(lèi)似紗窗的支撐網(wǎng)，隨后再把含有細(xì)胞的復(fù)合水凝膠打印到支撐網(wǎng)的網(wǎng)眼里(實(shí)際上，根據(jù)所打印的組織的種類(lèi)，這項(xiàng)研究采取了兩種不同的“內(nèi)骨骼”排布策略，這只是其中的一種)。這種策略為打印出的組織提供了強(qiáng)大的“內(nèi)骨骼”。

為了進(jìn)一步給組織提供支撐，科學(xué)家還使用另一種合成材料在整個(gè)組織的外周打印了一套“外骨骼”，防止組織在打印時(shí)發(fā)生大尺度層面上的“坍塌”。這套“外骨骼”更像是腿骨骨折病人的一根拐杖。和病人痊愈后就不再需要拐杖幫助站立一樣，這個(gè)“外骨骼”只是在打印過(guò)程中和打印完成后的一段時(shí)間里為組織提供支撐。在打印完成并用特定的方式進(jìn)一步“加固”組織之后，科學(xué)家會(huì)用液體把這些“外骨骼”洗掉，讓打印的組織完全靠自己“站起來(lái)”。

這個(gè)“完美配方”和兩套“骨骼”的策略不僅為組織提供了充分的支撐，而且還為組織深處的細(xì)胞打開(kāi)了一扇大門(mén)，讓它們能夠獲取到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。由于“內(nèi)骨骼”網(wǎng)眼大小恰當(dāng)，在把含有細(xì)胞的水凝膠打印到網(wǎng)眼里之后，網(wǎng)眼里仍然剩有一些空間，每一層的這些空間相互連通，就形成了一個(gè)個(gè)微管道(microchannel)與組織表面連通，為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣擴(kuò)散進(jìn)入組織深處提供了通道。

用集成型組織-器官打印機(jī)打印出的下顎骨和外耳

掃描，裝“墨”，打印

解決了支撐和供養(yǎng)這兩個(gè)難題，打印就變得不那么復(fù)雜了。以外耳軟骨為例，科學(xué)家首先使用CT或者核磁共振對(duì)人耳進(jìn)行掃描，然后使用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出了一個(gè)外耳的3D模型，并且為打印機(jī)的每個(gè)噴口(打印機(jī)有不止一個(gè)噴口)選定了在每一層中進(jìn)行噴“墨”的位置和噴口的移動(dòng)路徑。

在打印的時(shí)候，科學(xué)家把包含有細(xì)胞的水凝膠(打印耳朵時(shí)使用的是軟骨細(xì)胞)和兩種“骨骼”的“墨水”分別裝入不同的注射器中，利用氣壓控制裝置，計(jì)算機(jī)會(huì)在預(yù)先選定的噴 “墨”位置加大注射器中的氣壓，把“墨水”擠壓出來(lái)。當(dāng)整個(gè)打印過(guò)程結(jié)束以后，通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)，科學(xué)家還會(huì)讓水凝膠中的某些分子之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，讓這些分子和自己周邊的同伴“手拉手”，形成又一個(gè)支撐網(wǎng)絡(luò)。交聯(lián)反應(yīng)形成的網(wǎng)絡(luò)和“內(nèi)骨骼”這時(shí)已經(jīng)足以為組織提供其所需要的支撐，“外骨骼”也就不再需要，可以洗掉了。你所看到的也不再是一個(gè)方方正正，外觀像泡沫的物體，而是一個(gè)外形逼真的外耳形狀的軟骨組織。

除了這塊外耳形狀的軟骨，科學(xué)家還用這臺(tái)打印機(jī)打印出了一塊人的下顎骨、一塊大鼠的顱蓋骨和一小塊小鼠的肌肉組織。除了肌肉組織的尺寸較小以外，外耳、下顎骨和顱蓋骨的尺寸都很大。比如，外耳的尺度達(dá)到了3.2cm×1.6cm×0.9cm，和真人耳朵的尺寸相當(dāng)，在大小上足以用于整形手術(shù)。

組織能長(zhǎng)期存活

3D生物打印追求的絕不只是外觀上的逼真。打印出的組織還必須能夠長(zhǎng)期存活，否則根本無(wú)法被應(yīng)用于整形手術(shù)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

科學(xué)家進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，使用這臺(tái)打印機(jī)打印出的這四種組織在體外的培養(yǎng)條件下都能存活很長(zhǎng)的時(shí)間，比如，打印出的下顎骨在培養(yǎng)液中培養(yǎng)一個(gè)月之后仍然處于存活狀態(tài)，其中的細(xì)胞也在進(jìn)行正常的分裂生長(zhǎng)。

更讓人興奮的結(jié)果來(lái)自移植實(shí)驗(yàn)。當(dāng)把打印的顱蓋骨移植到大鼠上5個(gè)月之后，這塊組織不僅沒(méi)有壞死，而且整塊顱蓋骨，包括顱蓋骨的深處都長(zhǎng)出了血管，這使大鼠的機(jī)體能夠通過(guò)血管為其中的細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。而外耳軟骨在移植到小鼠上1-2個(gè)月之后，不僅形狀保持得很好，而且還有一定程度的生長(zhǎng)，軟骨較外層的區(qū)域也長(zhǎng)出了一些血管。生物機(jī)械性能的分析(比如拉伸、彎曲)發(fā)現(xiàn)，這塊軟骨的各項(xiàng)指標(biāo)都比移植前有了大幅度的提高，有的指標(biāo)甚至已經(jīng)達(dá)到了天然耳朵的水平?？茖W(xué)家還把打印出的肌肉組織移植到了小鼠體內(nèi)，并把一根切斷的神經(jīng)纖維包埋在這塊肌肉組織里。兩周之后，小鼠再生的神經(jīng)纖維就已經(jīng)能夠支配控制這塊肌肉組織了。各項(xiàng)分析還顯示，這塊組織的特性已經(jīng)達(dá)到了自然狀態(tài)下處于發(fā)育中(但尚未發(fā)育完全)的肌肉組織的水平。

所有這些結(jié)果都表明，這個(gè)集成型組織-器官打印系統(tǒng)所打印出的組織不僅能夠在體外長(zhǎng)期存活，而且在移植到動(dòng)物體內(nèi)之后能夠逐漸地“融入”到動(dòng)物的機(jī)體中去，這無(wú)疑使科學(xué)家向3D打印組織未來(lái)可能的臨床應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。

當(dāng)之無(wú)愧的領(lǐng)跑者

這臺(tái)打印機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者是美國(guó)維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院再生醫(yī)學(xué)研究所的安東尼·阿塔拉(Anthony Atala)博士。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)一直以來(lái)都是全球3D生物打印、組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。他本人正在申請(qǐng)或者已經(jīng)持有的相關(guān)領(lǐng)域的專利數(shù)量甚至超過(guò)了200項(xiàng)。由于其卓越的學(xué)術(shù)成就，他和他的團(tuán)隊(duì)獲得了很多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獎(jiǎng)項(xiàng)的肯定。大眾媒體對(duì)他和他團(tuán)隊(duì)的工作也保持著高度的關(guān)注，美國(guó)的《時(shí)代》周刊就曾不止一次把他們的研究進(jìn)展列入其盤(pán)點(diǎn)的年度醫(yī)學(xué)突破榜單里。

阿塔拉同時(shí)還擔(dān)任該研究所的所長(zhǎng)。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，這個(gè)研究所一直是全世界這些領(lǐng)域的領(lǐng)袖級(jí)研究機(jī)構(gòu)之一。這一點(diǎn)從美國(guó)軍方對(duì)其研究的大力支持就能看得出來(lái)：美國(guó)軍方的再生醫(yī)學(xué)研究所一直都在為其提供資金支持，其中 2013/2014年度開(kāi)始的第二期資助項(xiàng)目的資金總額達(dá)到了7500萬(wàn)美元。

在過(guò)去的二十年間，這個(gè)研究所在再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域創(chuàng)下了很多全球第一，其中有的已經(jīng)在臨床上取得了應(yīng)用：1999年，第一次在實(shí)驗(yàn)室制造出了人工膀胱，并成功地移植到病人體內(nèi);2003年，制造出了第一顆能夠分泌尿液的迷你腎臟;2004年，第一次制造出了人工輸尿管，并成功地移植到病人體內(nèi);2011年，制造出了第一塊人工肛門(mén)括約肌，并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上取得了成功……所有這些卓越的成就都讓人對(duì)這個(gè)研究所未來(lái)的科研進(jìn)展充滿期待。

離終點(diǎn)有多遠(yuǎn)?

雖然這款集成型組織-器官打印機(jī)必將會(huì)對(duì)3D生物打印技術(shù)未來(lái)的發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用，但是距離真正打印出組織和器官并將其應(yīng)用于臨床治療上，科學(xué)家還有很長(zhǎng)的路要走。

其中一個(gè)最大的困難是很多組織和器官都非常復(fù)雜，其所含有的細(xì)胞種類(lèi)也很多，而且很多時(shí)候這些細(xì)胞并不是按種類(lèi)分層或是成簇分布在一起的。要想打印出這些組織或者器官，對(duì)打印機(jī)的分辨率要求非常高，現(xiàn)有的打印機(jī)無(wú)法達(dá)到這樣的水平，短期內(nèi)恐怕也很難設(shè)計(jì)制造出具有這樣分辨率的打印機(jī)。其它一些需要解決的問(wèn)題還包括需要找到更多能夠用作“墨水”的生物材料(目前被用作打印“墨水”的材料種類(lèi)數(shù)量很有限)，大尺寸的組織或器官的整體性(不坍塌、不出現(xiàn)嚴(yán)重的變形)以及植入體內(nèi)后血管生長(zhǎng)等方面的問(wèn)題也都還有待進(jìn)一步的研究。這仍將是一條漫漫長(zhǎng)路。

在2009年進(jìn)行的一個(gè)演講中，Atala使用了這樣的一段話作為結(jié)束語(yǔ)，“歸根結(jié)底，再生醫(yī)學(xué)只有一個(gè)目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)非常簡(jiǎn)單，那就是讓我們的病人變得更加健康。”有這樣的一個(gè)目標(biāo)在激勵(lì)著全世界的醫(yī)學(xué)研究者們，無(wú)論是在3D生物打印還是再生醫(yī)學(xué)的其它領(lǐng)域，相信我們離這條漫長(zhǎng)道路的終點(diǎn)將會(huì)越來(lái)越近。