3D打印器官，离我们还有多远？
拥有了3D生物打印机，就如同换掉机器上的老旧零件，我们将无需为寻找稀缺的捐献器官而担心；实现了人工智能，机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作，面对可能存在的威胁与挑战，人类的发展或许又将迎来新的纪元；建立了量子通信网络，基于量子信息传输的高效和绝对安全性，更多的将享受到新一代通信技术可能带来的新变化……
随着科技的发展，很多以前只能天马行空般出现在科幻小说和电影中的场景，已不再是天方夜谭。今日起每两周，本刊将向您展示最新的、让人脑洞大开的前沿科技，探讨先锋科技的产业生态以及各类最炫酷的创新产品。
试想一下，你身上的某个器官或者组织出现了状况，你正担心能否找到稀缺的捐献器官。这时候，医院用3D生物打印机打印出一个全新的器官移植到你体内，就像换掉一个机器上的老旧零件一样简单……借助于科技的发展，这个以前只能出现在科幻小说和电影中的场景，已经不是天方夜谭。
记者近期采访发现，近些年来3D生物打印技术在国内外获得飞速发展，运用该技术打印出的手术模型已经开始在一些医院广泛运用。而用3D生物打印机打印出可与人体相容的体内植入物，甚至用细胞作为“墨汁”打印出器官和组织的技术也正不断取得突破，3D生物打印时代距离我们已经触手可及。
3D打印组织模型
助医生“精准手术”
去年年底，广州市妇女儿童医疗中心突然接到了一名来自深圳的小病人小谢。小谢去年12月4日出生，出生半个月以来，体重不升反降，伴有呼吸和吞咽困难。医院口腔外科副主任陈亦阳诊断，小谢患有“皮埃尔罗宾综合征”，这是一种先天颌骨畸形导致的罕见疾病，孩子往往很难喂养，严重的可致人死亡，需要尽快做手术。
“我们需要切开骨头，把它拉伸，让它长回正常的位置。在哪里切开（截骨的位置），需要拉到什么程度（角度和距离）都有精确的要求，可谓‘差之毫厘谬以千里’。”陈亦阳说。
以往对这些技术细节医生只能够根据经验判断，而现在医生们有了新的选择。为了提高手术效果，陈亦阳团队联系了广东省一家骨科重点实验室，对方用生物3D打印技术制作出了小谢的颌骨模型，医生们在模型上先进行了一次“模拟手术”。
12月27日，小谢的手术如期进行。由于之前已经操练过一次，手术精度得到极大提高，手术时间也大大缩短，以往需要两个小时完成的手术，压缩到了不到一个小时之内完成。做完手术之后，小谢睡觉不会突然憋醒了，吃奶也顺畅了，体重正在追赶正常进度。小谢的父母放下了心中巨大的石头，专门给医生团队送来了一面锦旗。
这也是该医院将生物3D技术应用于病人的最新案例。据陈亦阳介绍，医院是在2013年左右开始尝试这项新技术的，最初运用于少数疑难病例的手术，后来在2015年下半年大规模推广，现在以他所在的口腔外科为例，几乎所有需要动颌骨手术的病人都会运用。
“以前我们认为只有疑难复杂病例上才需要使用，但随着不断应用，3D打印技术在提高手术精准度、便捷度、可预测性等方面的优势越来越显著。只要我们对治疗效果有更高要求，就可以更加广泛地使用这项新技术。”陈亦阳说，“如果说之前3D生物打印技术能帮我们解决能不能做手术的问题，那现在它已经进入帮我们让手术做得更好、更快的阶段。”
3D生物打印体内植入物
已初步实现
清华大学生物制造中心教授、国家“千人计划”专家徐弢介绍，3D生物打印的应用主要有三个阶段：体外手术模型、打印可用于植入人体的类器官和组织以及利用细胞打印出活性器官和组织。
他说，包括广州市妇女儿童医疗中心等在内的多家国内先进医院正逐步推广使用的，即属于第一类。目前，该技术还运用于神经外科及脊柱外科的个性化手术模型、假肢等，在复杂病例的手术中，有利于术前规划、辅助病人了解病情以及医疗培训，极大造福了病人。
3D生物打印技术应用的第二个阶段是打印体内植入物。“现有的软组织修复材料，如动物组织、胶原等，会带来动物疾病传播、免疫排异、力学性能弱等问题，而传统的合成材料，也具有不降解、力学顺应性差、组织再生性差等局限。而3D打印在个性化以及微观仿生方面具有突出的优势。”他说。
在这个阶段，利用3D生物打印技术可以打印出具备良好生物相容性的人体组织，而使用的材料是关键难题。根据目标部位的差异，有些材料要求不降解，成为永久植入物，而部分材料则要求可以降解，跟人体组织相互发生作用，促进组织再生。
以广州迈普再生医学科技有限公司为例，其开发出了全球首个3D打印软组织修复可降解产品——睿膜，并成功实现了产业化。该产品在微观层面上打印出了自体脑膜组织的纤维结构，相当于搭建了有利于细胞爬行、成长的支架，对脑膜损伤患者具有极强的修复价值。
据迈普公司董事长、国家“千人计划”专家袁玉宇介绍，从宏观和微观方面，睿膜都非常接近自体的组织，而且其使用了高分子可吸收材料，可以在自体脑膜再生后降解为二氧化碳和水。该技术处于全球领先水平，已经分别获得欧盟CE认证和中国CFDA认证，在包括英国剑桥大学附属医院等在内的全球多家顶级医院成功应用了数万例。
此外，据媒体报道，新加坡国立大学苏州研究院已成功打印出了人体半月板支架，并开始进入动物临床试验阶段。国际上，2013年，美国FDA批准了全球首个3D生物打印颅骨植入物产品。
什么时候
我们能用上打印器官？
在前面两个发展阶段的基础上，徐弢表示，利用细胞打印出活性器官和组织，才是现代意义上的3D生物打印，能够真正实现“快速成型”，也将会是应用潜力最大、应用范围最广的3D生物打印技术。
徐弢认为，从技术层面，还至少需要克服三个挑战。首先，需要解决打印过程中脆弱的细胞能否存活、能否发育、会否变异甚至肿瘤化的问题；其次，3D生物打印机必须满足生物仿生对制造精度及准确性的极高要求；第三，组织及器官是由多材料及多细胞组成的非均质体系，对制造学要求也极高。
目前，科研人员正在加紧攻克难题。捷诺飞生物科技有限公司董事长、杭州电子科技大学的徐铭恩团队自主研发出一台生物材料3D打印机，已在这台打印机上成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元等。
“这台名为‘Regenovo’的3D打印机支持活细胞打印，打印的细胞有着高达90%的存活率，目前打印出来的活细胞存活时间最长为4个月。”徐铭恩说。
公开报道还显示，去年年底，四川大学华西医院等科研团队利用取自恒河猴自体的脂肪间充质干细胞制备成3D生物打印墨汁，应用自主研发的3D生物血管打印设备构建出具有生物活性的人工血管，并将其置换恒河猴体内一段腹主动脉，实现血管再生。
在国外，3D生物打印研究重镇美国韦克福雷斯特大学团队曾在2006年成功利用细胞扩增技术在体外培植膀胱。去年2月，该大学的研究团队利用新开发的3D生物打印系统打印出人造耳朵、骨头和肌肉组织，移植到动物身上后都能保持活性。
而徐弢的团队，也用心肌细胞和生物材料模拟打印了动物心脏，发现打印出的心脏还能有节奏地跳动，提示其具备一定的功能；将羊水中提取出来的干细胞进行3D打印，并加入骨系分化因子，获得了活性骨组织。
虽然如此，专家们也提醒，实验室成功不等于产业化成功。对医疗产品来说，在应用于人体之前必须符合国家法规，且在安全性、有效性方面符合临床要求，这需要大量的实验验证。据估算，一个不含细胞的用于组织修复的3D打印产品从研发到上市，大致需要5年到6年时间。而含活细胞的3D打印产品，因尚有诸多技术难题待突破，还不能估计上市时间。
“虽然时间很长，但我们不能停止在这方面的创新和研究。相信通过各个领域专家的通力合作，我们一定能早日实现人类打印自身器官的科学梦。”徐弢说。
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