微重力中的生物3D打印：我们站在哪里？
最坏的情况和假设情况是重要的技术进步的良好起点，特别是涉及外层空间时。 NASA的Artemis计划在2024年之前实现人类对月球的探索，并在2030年之前实现可能的人员登上火星的表面，依靠创新技术在地球之外生存将为人类提供在轨道上繁衍生息的机会。为此，航天局和私营企业一直在研究微重力作为生物3D打印技术的辅助因素，以创建组织构造和模型。
到目前为止，两个生物3D打印系统已经投放到国际空间站，利用微重力技术可以快速地制造3D组织和器官构造，例如人类心脏细胞或小鼠甲状腺。在太空中进行生物打印有许多优点，例如，专家发现微重力条件可以对具有空洞，空腔和隧道的更复杂几何形状的组织和器官构造进行3D生物打印。生物印记可以使用不同的过程，包括挤压和磁性生物印记，但是最重要的是，没有重力的生物印记消除了崩塌的风险，使器官无需支架即可生长。这可以改善对地球患者的治疗，并有助于建立可持续的行星定居点。
Techshot和nScrypt的BioFabrication设施。图片由Techshot / Eugene Boland提供。
从历史上看，制造柔软的人体组织（例如血管和肌肉）一直很困难。很少有研究人员成功地对这些结构进行3D打印，因为他们试图应对地球上生物打印的复杂性。为了解决这一局限性，一家公司着手制造一种用于太空制造的生物打印机。微重力设备的商业运营商Techshot与工业3D生物打印机制造商nScrypt合作开发了3D生物打印机，旨在制造空间中的器官样组织。生物制造设施（BFF）于2019年7月启动，已经在国际空间站（ISS）实验室以及人类半月板中成功印制了带有大量人类心脏细胞的组织样结构。
更重要的是，虽然3D打印机的生物墨水包含诸如心肌细胞，神经细胞和血管细胞之类的细胞类型，但值得注意的是，它不包含通常在地球上进行生物打印时抵抗重力的引力破坏所需的脚手架材料或增稠剂。在2020年1月宣布成功用人类心脏细胞进行3D生物打印的空间印刷时，Techshot还描述了“在地球上，当尝试用柔软，易于流动的生物材料进行印刷时，组织在自重作用下塌陷。但是，当在太空的微重力环境中使用这些相同的材料时，3D打印结构将保持其形状。”
NASA宇航员克里斯蒂娜·科赫（Christina Koch）启动了新的生物制造设施，以测试其打印细胞的能力。图片由NASA提供。
L型三合一储物柜大小的快递货架有效载荷BFF只有三英尺宽，两英尺高，但可以容纳四个打印头，使用大约两倍于人发直径的点胶针头来构建特定的细胞和细胞外材料，从而构建生物结构发育组织将需要它。它基于能够以每秒700毫米以上的速度驱动的线性电动机系统构建，主要是因为速度是微重力中生物打印的本质。对于下一阶段，该公司决定将其带回地球进行一些升级，但是BFF将在诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）的第16届美国航空航天局商业补给服务任务（NG-16）返回国际空间站之后开始营业。 ）。
在2020年ISS国际太空实验室组织实验室工程和再生医学研讨会系列中，Techshot的首席科学家Eugene Boland解释说：“之所以在微重力下更容易生产3D结构，原因是没有对流，浮力和分段，我们可以使用较低粘度的生物墨水，细胞和营养物质将保留在放置它们的位置。这实际上是生物打印的一种范式转变，在这种情况下，我们只能出于生物学的目的而不是出于力学的目的来打印生物学。因此，我们不必添加交联剂和其他结构来固定它们，我们可以实际打印所需的形状。这就是您可以在微重力下无法在地面上完成的工作，那就是使用3D打印，而不是二维和半二维打印。”
Techshot和nScrypt的BioFabrication Facility内部工作原理。图片由Techshot / Eugene Boland提供。
在2019年秋天，美国宇航局局长Jim Bridenstine宣布，尽管在人类能够长时间在轨道上生活和工作之前还有很多工作要做，“我们正在使用ISS来3D打印人体组织，最终实现人类器官使用成体干细胞，目的是在地球上改变我们的生活。”自从2018年宣誓就职美国国家航空航天局（NASA）第十三任行政长官以来，布莱登斯汀一直在快速跟踪该机构的目标，即到2024年将第一名男女降落在月球上，并在本十年后期建立可持续的登月存在。
在对该机构的Artemis计划进行公开更新时，Bridenstine表示：“目前，我们正在努力在轨道上制造人造视网膜。这些是由于材料的分层方式而无法在地球上执行的操作，但是您可以使用ISS在空间的微重力中进行操作。想象一下一个适合您手掌的盒子，然后将它放到内部装有材料的空间中。但是当那个盒子回到地球时，我们打开它来找到一千个人造视网膜。这些视网膜可以帮助患有黄斑变性并可能失去视力的人。”
人工视网膜。图片由Lambda Vision提供。
实际上，创新的生物技术Lambda Vision的微重力制造的基于蛋白质的人工视网膜不仅可以恢复地球上视网膜疾病患者的视力，而且将成为该公司探索如何在太空中进行生产的理想起点。用于许多不同行业的其他生物医学和技术应用。到目前为止，Lambda Vision的首席执行官妮可·瓦格纳（Nicole Wagner）报告说，微重力已经成功地证明了分层，可以在基材的某些区域上沉积100层。
ISS也是俄罗斯Organ.Aut 3D生物打印平台的所在地，该平台已于2018年12月成功进入轨道。俄罗斯航天局Roscosmos计划与总部位于Skolkovo的3D Bioprinting Solutions公司合作，制造可管理组织的太空磁性3D生物打印机。球体在微重力中。有望发展出3D生物打印技术的新方法，例如使用图案化物理场进行可预测的细胞扩散的声学或磁性生物打印，克服一些常见的局限性，例如速度慢和无法创建具有复杂几何形状的3D构造。
该系统已经在空间站的零重力环境中对老鼠的甲状腺进行了3D生物打印；甚至是人造肉，骨头和3D细菌生物膜；以及蛋白质化合物的生长晶体和生物工程化的人类软骨组织。该公司制定了深空旅行的宏伟计划，希望开发出未来版本的生物打印机，以帮助机组人员更换人体部位，甚至能够为前往火星的人们打印食物。
阿莱维的ZeroG生物挤出机，用于国际空间站（Made In Space）的AMF工厂。图片由Allevi提供。
其他生物打印机也在开发中。微重力制造专家公司Made In Space（MIS）与生物打印机制造商Allevi合作，着手创建ZeroG生物挤出机，该挤出机可轻松安装到MIS现有的ISS增材制造设施中。据Allevi首席执行官兼联合创始人Ricky Solorzano称，该平台将能够测试生物材料并通过微重力实现各种几何形状，从而彻底改变太空生物学研究。
“目标是了解在微重力下进行实验的局限性和价值。就像我们在地面上进行生物打印一样，我们相信通过提供这些信息并进行实验，社区将了解微重力，并找到那些不仅是研究而是基于产品的应用程序，从而使这个行业脱离太空环境。”Solorzano也在国际太空站国家实验室太空研讨会系列中解释道。
瑞典3D生物打印机制造商Cellink还宣布了与MIS的战略合作，以为ISS和未来的离线平台确定3D生物打印的开发机会。 在2019年初，欧洲航天局（ESA）和德累斯顿工业大学（TUD）的大学医院也证明了在地球上类似空间的环境中3D打印生物物质的能力。
生物医学在太空中的演变。 图片由欧洲航天局提供。
中国3D打印网点评：微重力生物打印开辟了一个全新的领域，也带来了新的挑战。 正如太空企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）曾经说过的那样，“太空是很难的”，而在地球外进行生物打印则更加困难。 专家们已经发现了一些局限性，从生物墨水的行为方式到理解表面张力。 为地球和乘员病患推进太空生物打印仍有许多工作要做，但是新的合作可以迅速进入太空生物打印的下一阶段。
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