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3D打印器官是怎么做到的？距離移植人體有多遠(yuǎn)？你想知道的都在這
3D打印，20世紀(jì)以來(lái)最受關(guān)注的技術(shù)之一，無(wú)疑是超前科技的代言詞。
近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，這種先進(jìn)的技術(shù)也逐漸滲透到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
比如，4月誕生的全球首例3D打印“完整心臟”，擁有細(xì)胞、血管、心室和心房的櫻桃般大小的心臟。
還有以往在3D打印器官上取得的各項(xiàng)突破性研究：
解決活體器官短缺，降低受體排異反應(yīng)，對(duì)器官移植有著重要的意義。
那么，距離3D打印器官可代替捐獻(xiàn)的器官，用于治病救人上還有多遠(yuǎn)呢？我們今天就來(lái)講一講。
3D打印技術(shù)是什么？
“3D打印”是對(duì)“增材制造”這種材料成型工藝的通俗叫法。
3D打印區(qū)別于傳統(tǒng)的材料成型工藝，在加工的過程中材料質(zhì)量不減反增，通過“自下而上”的材料累加來(lái)成型，像蓋房子一樣一磚一瓦地逐漸搭砌。
整個(gè)過程以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過電腦控制實(shí)現(xiàn)，能夠構(gòu)建傳統(tǒng)工藝難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
從世界上第一臺(tái)商用3D打印機(jī)的誕生到現(xiàn)在已經(jīng)30多年了，隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印也和我們的生活聯(lián)系越來(lái)越緊密。
早期的3D打印只能夠用塑料作為“墨水”打印。
而現(xiàn)在，“墨水”可以是塑料、金屬、陶瓷、甚至細(xì)胞，被注入“墨盒”進(jìn)行操作。
3D打印技術(shù)根據(jù)工藝特點(diǎn)，主要有三類：
一類是利用激光、等離子束等高能束將金屬、陶瓷、塑料粉末逐點(diǎn)、逐層的融化、燒結(jié)，最終成型。
這一類工藝主要是用在工業(yè)加工領(lǐng)域，例如國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的某些大尺寸鈦合金零件就是用這樣的工藝打印出來(lái)的。
第二類是將塑料等材料通過加熱融化為流動(dòng)熔體，或是配置成可流動(dòng)的漿料，通過壓力從一個(gè)針尖擠壓出來(lái)，并在空間中凝固成型。
目前常見的桌面3D打印機(jī)大多采用這類工藝。細(xì)胞和器官打印也往往用這類工藝。
第三類是基于光固化原理，利用紫外線激光會(huì)引起光固化樹脂液體固化的現(xiàn)象進(jìn)行打印。由于激光聚焦精度高，這類工藝往往具有較好的成型精度。
3D打印是怎么打印器官的？
女媧捏土造人、哪吒化蓮重生是我們祖先天馬行空的想象，而活體細(xì)胞的3D打印則是真實(shí)的嘗試。
生物材料和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們不斷嘗試?yán)?D打印制造可以植入人體的組織和器官。
圖片來(lái)源:3dprint
這也是3D打印最受人關(guān)注的重要新興的領(lǐng)域之一，近年來(lái)捷報(bào)頻傳。
2016年，科學(xué)家們將3D打印出的組織移植到生物體內(nèi)，并且證明了這些從打印機(jī)里誕生的組織能夠像正常組織一樣存活并生長(zhǎng)。
整合組織-器官打印系統(tǒng)”（IntegratedTissue-Organ Printing System，ITOP）打印的下頜骨（左）和耳廓（右）。圖片來(lái)源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413
那么這些“組織”和“器官”又是如何通過3D打印制造出來(lái)的呢？
首先，我們需要設(shè)計(jì)好數(shù)字模型藍(lán)圖，而細(xì)胞就如同普通桌面打印機(jī)中的漿料一樣，從針頭中擠出，像蓋房子一樣逐層構(gòu)建，形成預(yù)定形狀。
但是，細(xì)胞和細(xì)胞之間沒有粘結(jié)的話，一旦打印出來(lái)就會(huì)潰散，因此，一種叫做水凝膠的物質(zhì)被用作支架，將細(xì)胞組裝起來(lái)。
在打印的過程中，水凝膠可以維持組織或器官的形狀，并將細(xì)胞包裹、粘接，有序的堆疊在一起。水凝膠可以被生物降解，沒有生物毒性。
圖片來(lái)源:UC San Diego
天然組織具有大量的管道結(jié)構(gòu)，以供血液等多種液體在組織中流動(dòng)。如果打印的組織或器官不具備管道空腔，那么細(xì)胞是無(wú)法存活的。
因此在水凝膠支架中預(yù)留部分空腔，有助于初期的給養(yǎng)和代謝。
當(dāng)細(xì)胞存活并形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)后，水凝膠支架就會(huì)被降解，并進(jìn)一步形成供血管等管道發(fā)育生長(zhǎng)的“空腔”。
“生物3D打印機(jī)”工作原理。墨盒中容許填充細(xì)胞和水凝膠。組織內(nèi)部的空洞可供血管發(fā)育。圖片來(lái)源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413
這樣，典型的“生物3D打印機(jī)”的“墨盒”中就將填充由細(xì)胞、水凝膠組成的生物“墨水”，在打印過程中，生物“墨水”就會(huì)逐層堆疊成對(duì)應(yīng)組織的形狀。
3D打印的器官和人體器官有什么區(qū)別？
目前在實(shí)驗(yàn)室中通過3D打印制造的組織和器官，在尺寸、結(jié)構(gòu)、細(xì)胞種類、細(xì)胞存活時(shí)間等多方面還和人體器官有差距或是有限制，所以絕大部分的3D打印組織和器官還沒有能夠作為移植器官植入體內(nèi)。
3D打印得到的器官，已經(jīng)能夠維持固定的外形，具有簡(jiǎn)單的器官功能。
然而，人體器官往往由多種不同細(xì)胞組成，各類細(xì)胞或是細(xì)胞集合發(fā)揮不同的作用，器官中又具有大量的血管、神經(jīng)、各類管路等結(jié)構(gòu)與細(xì)胞一起共同實(shí)現(xiàn)體內(nèi)的復(fù)雜功能。
而現(xiàn)在3D打印組織或器官往往細(xì)胞種類單一，不具有復(fù)雜管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)人體器官的復(fù)雜功能，只能被稱為“類組織”或“類器官”。
3D打印的器官作為醫(yī)學(xué)研究的工具，在藥物篩選、腫瘤模型等方向發(fā)揮應(yīng)用。
對(duì)于再生醫(yī)學(xué)來(lái)說(shuō)，3D打印使用來(lái)自受體的細(xì)胞，制作的組織和器官不具有免疫排異性，并且組織和器官的尺寸與功能等可以實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化定制。
3D打印可植入的器官在不久的將來(lái)具有廣闊前景，十分令人期待。
（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）