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文 | cybermed賽博醫客FwV曹操讀書網

電影《逃離克隆島》（The Island）中，男女主人公滿心歡喜地前往世外桃源島去享受美麗的生活，萬萬沒有想到的是，他們前往的小島是要掏出他們的鮮活器官去拯救其他人。他們的出生和成長不過是為了拯救人類，一群需要新鮮器官移植的人類......FwV曹操讀書網

其實，“人類需要新鮮器官”，這個命題并不是虛構，而是血淋淋的現實。2016 年，?美國等待器官移植約16 萬，捐獻器官者僅有1.6 萬；我國每年等待器官移植約30萬，而捐獻器官僅有1 萬。FwV曹操讀書網

2019 年，全球共完成40608 例公民逝世后器官捐獻，但僅能滿足約10% 的全球器官移植需求。FwV曹操讀書網

醫療界人士將供體的缺乏稱為“一種危機”。隨著科技的發展以及人類對健康的重視，體外制造活性器官成為一個研究熱點——3D生物打印技術成為首選。FwV曹操讀書網

01 3D生物打印的臨床意義

將3D打印與有生命物質聯系在一起的是Clemson大學的Thomas Boland教授。2000年，Boland教授首次提出“細胞及器官打印技術”的概念。2003年，該團隊首次成功打印活細胞，并發表世界上首篇生物細胞打印論文，實現了從打印無生命物質到有生命物質的飛躍。FwV曹操讀書網

其實在此之前，廣義上的3D生物打印就已經存在，只是臨床意義不一樣而已。FwV曹操讀書網

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早在1992年，SLA(RP技術中光固定化立體造型)FwV曹操讀書網

技術就已經用于顱頜面外科整形手術的術前模擬了，3D打印對外科手術指導的大門由此打開。為3D打印將實現傳統醫學模型向擬人化醫學模型發展提供了支撐。這是3D生物打印對于臨床意義的第一層：制造無生物相容性要求的結構,?產品用于手術路徑規劃。FwV曹操讀書網

2007年，意大利骨科醫療器械企業Limage Corporate推出了全球首個3D打印標準化硬組織修復產品——可植入髖臼杯Trabecular Titaniumtm獲CE認證。這是3D生物打印對于臨床的第二層意義：制造有生物相容性要求、不可降解的植入物。比如鈦合金節關、缺損修復的硅膠、假體等。FwV曹操讀書網

用3D打印的方法打印有生物相容性要求、可降解的產品就是3D生物打印置之于臨床的第三層意義了。比如，牙齒。利用3D打印技術打印出連通多孔結構的鈦金屬多根牙種植體，空隙300~400μm,通過動物實驗及對照，3D打印牙種植體具有良好的骨結合能力，骨組織長入種植體表面空隙內，具有高骨組織致密性。FwV曹操讀書網

孜孜以求的人類在解決了前三層需求之后，開始攀登3D生物打印界的另一個高峰了：載細胞打印。也就是我們今天說的狹義上的3D生物打?。翰倏v活細胞、構建仿生三維組織、打印細胞模型、單元、皮、血管?；蛘呤?，打印一個功能化器官。FwV曹操讀書網

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02 從形似到神似

從本質上來說，生物打印只是普通打印過程的一種高級形式。想象一下，數以百萬計的人會通過打印機來制作文件或照片的硬件拷貝。其實，3D生物打印與普通打印過程類似：打印前需要需要設計，打印時需要打印機、墨水，打印后確保質量。FwV曹操讀書網

目前，主流的3D生物打印技術可分為五大類：擠壓生物打印、有限元生物打印、噴墨生物打印、激光輔助生物打印和微型閥生物打印。FwV曹操讀書網

過程一樣，但是顯然要求不一樣。此前評論人士一直認為有四大難題橫亙在3D打印界：細胞技術、生物材料、制造平臺以及血管供應系統。FwV曹操讀書網

人體不同的組織由不同的細胞組合而成，比如皮膚有上皮細胞、心臟有心肌細胞。在這些細胞中，哪些適合體外分離培養？哪些在培養之后還能保持自身的生物活性？培養增值技術是3D生物打印成功的前提條件。FwV曹操讀書網

而且，不同的組織器官有不同的特性。比如柔軟的皮膚、堅硬的骨頭。3D打印就需要與組織特性相對應的生物材料，并且所選擇的材料必須能通過3D打印系統進行操作。FwV曹操讀書網

另外，無論是擠壓、噴墨、還是微型生物閥打印，每種打印方式，各有優缺點且對硬件技術的要求。如何在保證3D打印系統發揮最大功效的同時，還保持細胞的生物活性和生物材料的物理特性，并能滿足醫學應用的標準，也并非易事。FwV曹操讀書網

但并非不可攻克。FwV曹操讀書網

Boland教授及其團隊在2004年申請了全球首個細胞及器官打印專利。并授權給3D生物打印公司Organovo。后者是目前全球3D生物打印市場上的當紅辣子雞。FwV曹操讀書網

2010 年，Organovo打印了全球第一條血管，率先實現了3D打印血管的商業化進程；FwV曹操讀書網

2011年，中國的邁普醫學的3D打印標準化軟組織修復產品——可吸收硬腦（脊）膜睿膜獲CE認證；2012年，蘇格蘭科學家首次以人體細胞為材料，打印出肝臟組織.......FwV曹操讀書網

03 終極問題

據說，哈佛醫學院的墻上掛了一幅畫，這幅畫描述和記錄了1954年世界上第一例器官移植手術。所以器官移植在人類歷史上已經存在了67年?，F在3D生物打印要解決的是：將實驗室組織植入人體。FwV曹操讀書網

開先河者是大名鼎鼎的安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）教授。時間是2001年。FwV曹操讀書網

2001年，年僅10歲的Luke Massella不得不面對現實：“我可能得面臨余生都不得不在透析中生存的問題，我不能參加運動，也不能和哥哥一樣過正常孩子的生活?！彼驗橄忍煨约棺盗堰M行了十幾次手術雖然幸存了下來?？墒?，他的膀胱又開始出現了問題，腎臟開始衰竭。FwV曹操讀書網

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幸運的是，他遇到了當時波士頓兒童醫院的外科醫生安東尼·阿塔拉 (Anthony Atala) 。安東尼醫生和他的團隊取了一小塊盧克的膀胱，并用兩個多月的時間里在實驗室里用工程設計的方式長出了一個新的膀胱。然后在 14 小時的外科手術中，醫生用新的膀胱替換了有缺陷的膀胱。FwV曹操讀書網

現在二十年過去了，Luke Massella已經從事過了包括學校摔跤教練等多種職業。自從13歲之后，他沒有再進行任何其他的手術。FwV曹操讀書網

安東尼醫生，也就是現任WFIRM（維克森林大學再生醫學研究所，Wake Forest Institute for Regenerative Medicine）的研究負責人。該機構在3D生物打印的歷史上戰功赫赫。FwV曹操讀書網

二十多年來，該團隊發明了人造膀胱、人造陰道和尿道；2020年，他們又宣布使用生物工程技術修復的“人造子宮”讓兔子產下了存活后代。這一次，該團隊希望這種技術最終能夠取代子宮移植手術，讓患有子宮功能性障礙的女性有機會孕育后代。FwV曹操讀書網

不僅僅是安東尼醫生所在的機構，2013年，密歇根大學公共醫療中心運用該技術制造了一段人工氣管，并成功開展了全球首例3D打印器官人體移植手術；2017年，Organovo又展示了自己的肝組織3D打印技術，并且已經成功的移植到了實驗鼠的體內。該公司聲稱下一步的目標很明確，那就是人類自己。FwV曹操讀書網

2019年4月，引起轟動的世界首個3D打印的人造心臟誕生，來自于以色列特拉維夫大學（Tel Aviv University）的研究團隊。通過使用人類的脂肪組織，成功3D打印出一顆具有細胞、血管、心室和心房的“人造心臟”。雖然只有兔子心臟一般大，但是它證明了研究這種人造心臟用于器官移植的可行性。一年半后，2020年11月，卡耐基梅隆大學就打印出全尺寸的人類心臟模型。FwV曹操讀書網

看起來，離人類打印出一個可以用于移植的器官已經觸手可及了。但其實，除了上文提到的細胞技術、生物材料、制造平臺之外，最難的是血管供應系統：人體的組織和器官都是生存在血管系統中，足夠的血供是保持生物活性的必要條件。但是當前的3D生物打印技術還不完全能制造出跟人提供能相當的替代品，更不用說將血管系統融合進入3D打印的組織。3D打印能否打印出有血管系統的器官、而且能融合于人體整個血液循環系統，是這個行業的大難題。FwV曹操讀書網

除此之外，對于細胞打印而言，生物墨水的可控化、打印結構的活性化、打印結構的功能化可概括為其控形控性所涵蓋的三大基礎科學問題，解決這些問題需要攻克從墨水的合成、打印工藝的調控、營養輸送通道的構建到功能化的誘導等一系列難題。FwV曹操讀書網

但，即使以上所有問題都能得到有效解決，還有一個終極問題存在：一旦人體器官可以像生產線上的產品一樣被規?；纳a，那么人作為人類存在的終極目的是什么？如果某個人的某個器官可能因為工業產品而得到增強，對其他人的困擾怎么解決？如果一個人的整體可以被復制，比如本文開頭提到的電影的克隆人，復制人會不會出現？FwV曹操讀書網

康德說，“永遠不要簡單地把人當作工具，而永遠要當作目的，不論是對你自己還是對于他人?！?span style="display:none">FwV曹操讀書網

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