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图片来源@视觉中国
文｜陈根从20世纪80年代到明天，3D打印走过了—条漫长的开展之路。生物3D打印作为3D打印的首要分支，从2000年摆布被提出至今，也取患了严重停顿。
固然，生物3D打印也有许多档次，包罗制作无生物相容性要求的构造，好比目前有普遍运用的手术门路布局用产品的3D打印等，制作有生物相容性要求的不成降解的制品，好比钛合金关节、缺损修复的硅胶假体等，以及制作有生物相容性要求的可降解的制品，好比活性陶瓷骨、可降解的血管支架等，但最首要的，也最受关注的，仍是在把持活细胞构建仿生三维组织的器官3D打印。
因为人类对生命连续的渴求，能够说，器官打印是人类千百年来的梦想，而打印生命则是人类的终极欲望。当初，人们正在致力向人类的终极欲望疾走而去。
为何需求3D器官打印？
生物3D打印的完成与组织工程（tissue engineering）和再生医学（regenerative medicine）亲密相干。组织再生是目的，而组织工程是伎俩。
其中，组织工程的概念由美国华侨迷信家冯元桢提出，在1987年被美国国度迷信基金委员会肯定。组织工程是指先将细胞堆积在生物支架（scaffold）上造成细胞资料复合物，而后将含细胞支架植入体内，利用体内环境进行诱导造成相应的组织或器官，完成创伤修复和功用重建。惯例的组织工程的做法是将支架制作与细胞黏附别离，但这样就难以在支架不同地位完成不同品种、不同密度细胞的堆积。而生物3D打印则能够完成多细胞空间定向把持及不同细胞密度的可控堆积，刚好解决了组织工程目前所面临的困难。
始终以来，体外制作活性组织或器官都是人们孳孳不倦寻求的指标。究其缘故，一方面，目前器官移植的缺口微小。迄今为止，许多医学困难诸如肾衰竭、恶性肿瘤等，临床上的卓有成效的医治形式仍为器官移植手术，但是异体器官移植始终以来都存在着供体缺乏的问题。无论是国际仍是在国内上，因为器官募捐量缺乏，配型的胜利率也不高，需求器官移植的病人能做的事件只能是等候。
在美国，按照美国器官资源同享网络（UNOS）发布，每1.5小时就有1例病人由于等不到适合的器官移植而死亡，每一年有超过800万例患者需求进行组织修复相干手术。在我国，据统计每一年大约有150万人因末期器官功用衰竭需求器官移植，但每一年却仅有约1万人能失掉器官移植的救治，无限的活体器官来源知足不了患者需要。
单以肾移植手术为例，每一年进行移植的患者为3000人，而需要者高达30万。大少数患者只能在等候配体的过程当中病情好转乃至离世。与此同时，中国需求承受器官移植的患者数量还在以每一年超过10%的增量扩张。此外，器官移植后还存在免疫排异反映，需求长时间进行免疫按捺医治。
有鉴于此，临床上急需一种卓有成效的办法，以解决供体器官的充足和器官移植泛起的排异反映等问题。生物3D打印技术的泛起及疾速开展为组织或器官充足的问题提供了全新的解决计划——生物3D打印能够以本身的成体干细胞经体外诱导分化而来的活细胞为原料，在体外或体内间接打印活体器官或组织，从而取代功用丢失的器官或组织。
目前，生物3D打印在器官移植畛域已取患了一定的成就，被运用于皮肤、骨骼、人造血管、血管夹板、心脏组织和软骨质构造的再生与重建。
另外一方面，以后的医学机理机制钻研需求更加精准的体外模型。传统的解决计划往往是基于细胞二维造就及植物试验。但是，基于细胞二维造就的办法和实在体内的三维环境比拟差别很大，有些状况下还有可能泛起相互矛盾的后果，这就使得参考价值无限。而植物试验除了有得多伦理学的问题外，最为症结的是植物的体内环境和人体环境有很大的差异。
也就是说，假如能在体外采取人体细胞重构出组织或器官的所在三维环境，就能很好地补救现有解决计划的缺点，而体外组织或器官的构建无疑能够普遍运用于药物筛选及疾病机理探索。
而这将为人们带来的，则是人类在精准医疗和共性化医疗的跃进一步。毕竟，每集体的身材结构、病理情况都存在特殊性和差别化，尤为是病情繁杂、稀有的患者，斟酌得手术危险较大，医生可借助3D打印技术，将患者病变部份根据1∶1的比例残缺打印出来，针对繁杂、稀有、高难度病例进行术前布局与精准演练。
这不只为医生设计手术计划提供精准的三维平面构造数据，也可在更直观更真正的条件下预演全部手术进程，完美手术布局，从而进步实在手术的精准度，升高手术危险。另外，针对不同患者，3D打印共性化手术导板，可以无效增加手术的创伤和出血量，大大缩短手术时间，进步手术精确度。
于是，与传统医疗技术比拟，在尊敬和掌握个体差别的根底上，3D打印技术可以完成真正共性化定制，使医疗更为精准化。
前景日趋清朗
2003年，美国Clemson大学Thomas Boland等利用改装的惠普打印机（H550C）和墨盒（HP51626a），以含中国仓鼠卵巢细胞（CHO）和鼠胚胎静止神经元细胞的PBS缓冲液为“生物墨水”，以大豆琼脂/胶原凝胶“生物纸”，胜利完成了活细胞打印，并颁发首篇细胞生物打印论文，遭到包罗美国迷信杂志、CNN等媒体报导。2004年，该课题组请求首个细胞及器官打印专利，并于2006年获取专利受权，后该技术受权纳斯达克上市的著名生物3D打印公司Organovo。
自此当前，3D打印器官也正式进入了开展的车道，并给再生医学带来许多但愿。2010年十二月，Organovo使用一台NovoGen MMX制作出了第一根生物打印的人体血管。自那时起，这家公司还打印出骨骼肌、骨头和肝脏组织等小型样本，胜利在脊椎上植入了神经，而且肯定了制作人体移植组织的长时间方案。后来，这类按需打印次要集中在心肌修复、神经移植或动脉片断上，由于这些组织相对于较小，也更易打印，并且临床运用的可能性也更大一些。
20十二年，苏格兰迷信家利用人体细胞初次用3D打印机打印出人造肝脏组织。同年，美国密歇根大学公共医疗核心经过3D打印技术制作了一段人工气管，进行了寰球首例3D打印器官人体移植手术。这是人类初次使用3D打印的部件来帮忙组织重组，它被登载在了《新英格兰医学杂志》（New England Journal of Medicine）2013年5月刊上。
在20十二年十二月的另外一个彻底不同的研发中，Organovo宣告与Autodesk协作制造了第一款用于生物打印的3D设计软件。它将NovoGen MMX凋谢给更多用户使用，借此改进生物打印的可用性和功用性。
正如Organovo主席兼首席履行官基斯·墨菲所说，这家公司与Autodesk新建设的协作瓜葛的长时间指标是“努力让客户有才能自行设计3D组织，而后交由Organovo担任出产”。就像当初雕琢家能够上传一个新珠宝给珠宝制作商们同样，由他们3D打印出塑料或金属物体，未来医生也能够将动脉移植或全部器官的电子模型发送给Organovo进行生物打印，而后Organovo将成品快递前往。20十二年，《MIT Technology Review》将Organovo评比为世界前50家最具翻新性的公司，而在2010年，《Time Magazine》将NovoGen MMX评比为年度最好创造之一。
2013年，寰球首个共性化3D打印产品PEEK头骨植入物（美国OPM公司）获FDA批准。同年2月，美国康奈尔大学钻研人员颁发讲演称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，能够用于后天畸形儿童的器官移植。
2014年十一月，Organovo公司推出了其可商用的3D打印人体肝脏组织exVive3DTM，用于临床前药物测试。
2015年4月，Organovo公司在波士顿的试验生物学会议上发布了世界上第一个3D生物打印全细胞肾组织的数据。以后的肾组织在个别试验室前提下仅能存活几天，而Organovo公司的3D打印肾组织能够继续“最少两个礼拜”。
国际，清华大学颜永年传授率先于2002年摆布发展生物3D打印技术钻研，并于2004年带领团队实现细胞直写零碎和细胞打印机（cell printing），建设了拥有国内先进程度的生物制作工程试验室，被誉为“中国3D打印第一人”。
2013年8月，杭州捷诺飞生物科技股分无限公司（Regenovo，简称捷诺飞公司）与杭州电子科技大学等高校的迷信家协作，胜利研制出可同时打印生物资料和活细胞的3D打印机。2015年10月，捷诺飞公司推出第三代生物3D打印任务站，利用这款生物3D打印装备，胜利批量“打印”出肝单元用于药物筛选。
如今，跟着3D生物打印技术的提高与成熟，3D生物打印前景日趋清朗。
在3D打印器官之前
不外，前景的清朗，却不料味着进程的顺利。毕竟，生物3D打印是医学、生命迷信、资料学、信息技术、组织工程、制作学、临床实验等多学科穿插的产业。打印一个活体器官最次要的三个前提是细胞、支架和诱导。
细胞间接拆卸技术，是指按照3D数据模型，将细胞或者细胞基质资料间接拆卸成所需求的构造，经过后续的造就，终究造成一个活的组织或者器官。
细胞直接拆卸技术，是指先用生物资料建设一个细胞造就支架，再经过3D模型将细胞根据所需构造附着在支架的相应地位，再经过诱导使细胞成活以造就成为活的组织器官。
但是，要知道，器官自身构造十分繁杂，而且一个器官细胞不止一种，如何完成让多种细胞繁杂摆列并可以放弃成长性仍然是以后器官打印所面临的困难，以血管为例，血管看起来构造简略，但实际上血管除了有多层不同的细胞组织构造（典型血管次要由内皮、平滑肌及成纤维细胞构成）外，血管壁还拥有选择性通透、血管壁的弹性及抗凝等功用，这些都使得体外制作活性血管以交换体内病变血管拥有至关大的难度。
此外，如何包管支架资料无毒并顺应人体，从而让细胞正常成长，以及如何引发细胞成长，将打印器官激活并使之彻底代替原有器官也是尚待解决的困难。
最初，环抱此类器官的使用还会带来一系列关乎兽性和品德的考量，一个允许相干技术运用的宽容言论环境依然在构建之中。这类关于打印器官的疑虑曾经在尼迪·奥科拉弗的短篇科幻小说《事情核心》中失掉了充沛反应。
在小说中，尼日利亚总统丰弥做心脏移植手术的动静风行一时，引来举国哗然。与以后迷信家的构想不同，《事情核心》为总统筹备的人造心脏再也不从植物身上求取原料，而是以动物组织为基底，利用自体干细胞和3D打印技术失掉。
即使这项技术在小说中曾经成熟，但在小说中，来自美国的主刀医生伊齐仍然对手术的功效感到耽忧。假如说伊齐的疑虑次要关乎技术自身的成败，那末总统侄子西必及后任将军欧奇楚库借机发起的政变则触及了该项技术带来的另外一个问题：心脏移植后是不是会性格大变，乃至有被管制的可能？这类揣测并不是是没因由的臆想。在理想世界中，得多肝移植手术的病人确实在一按时间内泛起了性情变动，其本源或许是排异反映酿成的内分泌调理变动。
这层忧虑的症结在于：人到底何认为人？是凭一整套原初的器官，仍是凭一副能够独立思考、行为的身心？虽然技术的开展简直不以人类的意志为转移，对技术的两面性持审慎态度却仍有须要。需求抵赖，一系列对于技术是好是坏的诘问，往往是技术遍及过程当中必定阅历的路途，即“过来胡思乱想，当初勉为其难，将来司空见惯”。毕竟，当一项技术被发明出来当前，如何能力让它失掉最佳的利用，这才是咱们最需求关怀的。
3D打印器官也许曾经承诺了咱们一个美妙的将来，但在将来到来之前，咱们还需求做的，是正确意识这一技术，并未这一技术赋与技术伦理和使用规定——事实上，生物3D打印还远未达到最后器官打印的构想，体外打印可以用于移植的活性器官还有至关长的路要走。 |
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