杨晗之
开博时间：2016-11-21 20:30:00《科学画报》编辑
按需打印人体器官
2013-12-30 17:03:06文/奇 云
2013年5月，《新英格兰医学杂志》报道了全球首例三维（3D）打印器官人体移植手术。美国密歇根大学公共医疗中心的生物医学工程师大卫·措普夫通过三维打印技术，制造了一段人工气管，成功植入美国俄亥俄州一名6星期大的婴儿的体内。
器官移植是20世纪医学史上最伟大的突破之一。然而，器官移植存在器官短缺的难题。三维打印技术的出现，为彻底解决器官短缺难题带来了希望的曙光。
一位名叫伊巴·杰弗里多的男婴，患有先天性的气管发育缺陷。由于通往心脏及肺部的主动脉错位，气管受到压迫，几乎每天都会突然停止呼吸。为了挽救男婴的生命，措普夫通过计算机设计了一条气管支架模型，随后将具有热塑性的生物可吸收材料作为“墨水”，最后打印出类似真空吸尘器管的细小管道，并将其植入杰弗里多的胸部。手术后，杰弗里多可以正常呼吸。据介绍，这起手术于2012年2月进行，是医学史上首宗三维打印器官成功移植的案例。
打印器官极富智慧
三维打印机的工作原理和普通喷墨打印机类似：打印喷头在电脑指令下移动，在合适的位置喷出“墨水”。两者之间主要有两点不同：一是三维打印机的喷头不仅能在平面上移动，还能垂直移动；二是三维打印机的“墨水”可以是各种材料，比如金属、陶瓷、塑料、细胞、沙石甚至各种食物。简单来说，三维打印就像是断层扫描的逆过程，断层扫描是把对象“切”成无数叠加的片，而三维打印则是一片片地打印，然后逐渐累积成为一个立体物体。
由于每个人的身体构造、病理状况都存在特殊性和差异化，而三维打印技术具有快速、准确、个性化及擅长制造复杂形状实体的特性，当三维打印与生物材料、细胞培养、医学成像和计算机辅助设计相结合，就可以针对患者特定的解剖构造、生理功能和治疗需求，制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等生物医学产品，从而为开发突破性的医学治疗手段提供全新的技术可能。
打印器官首先需要建模和离散处理。这是前序工作，主要是进行计算机辅助设计建模，犹如一幢大楼的设计图纸。这些设计可来源于对天然器官或组织的数字化图像重构。例如，可通过对人体非侵害的扫描（如磁共振成像或断层扫描）或精细分层的三维重构等得到图像数据，也可利用一些理论上的原理、法则进行空间结构的设计，得到器官的结构数据。
接下来，需要把“墨水”精确打印到位。一般来说，需要什么样的“墨水”取决于需要打印什么样的器官。比如，你需要肾脏，则需要在“墨盒”里注入肾脏细胞，而且这些肾脏细胞是取自患者自己的肾脏，以避免这个打印的新肾脏在植入患者体内后遭到免疫系统排斥而发生坏死。当然，也可以不论需要什么器官，都用干细胞来打印。英国研究人员通过实验证明，超过95％的干细胞在被打印出24小时后仍然存活，保持着正常的分化能力。
最后一步，进行后处理。器官打印成型后，并不能马上使用。这时候的器官只是一个各种细胞堆积在一起的一块活体组织，细胞间的相互连接还没有建立起来，细胞间的黏合力也很微弱，而且还不具备器官应有的许多生理功能。这个新生的器官需要放入一个培养箱内，加入合适的细胞生长因子。在细胞生长因子的刺激下，实现组织结构和生理功能的完整，直至符合人体移植的要求。
打印器官方兴未艾
从全球来看，三维打印技术在医学领域的应用中，打印骨骼相对比较成熟。三维打印骨骼有两大优势。一是实体制造中省去了冗长而昂贵的模具制造过程，想做什么形状的骨骼都可以；二是该类植入物带有可供骨头长入的孔隙，相邻骨头在生长的过程中会进入孔隙，使真骨与假骨结成一体，这样患者骨骼能尽快康复。
目前，国内已经研发了几十种三维打印钛合金人体“骨骼”。其中，颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体和人工髋关节3个产品已进入临床观察阶段。仅北京一家医院，就为40多名患者植入了三维打印钛合金“骨骼”。
此外，利用三维打印技术打印主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚和血管等已初步实现。三维打印活体器官的研究，更是备受青睐。
美国康奈尔大学研究人员打印出人造耳朵。研究人员首先利用快速旋转的三维相机，拍摄耳朵的三维信息，然后将其输入电脑，三维打印机会据此打印出耳朵模子。随后在模子中注入特殊的胶原蛋白凝胶，这种凝胶含有能生成软骨的牛骨细胞。此后数星期内，软骨逐渐增多并取代凝胶。3个月后，模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳，其功能和外表均与正常人耳相似。
美国一家医学公司在实验室打印出微型肝脏。它虽然只有0.5毫米厚、4毫米见方，却具有真正肝脏的大多数机能，包括产生负责将激素、盐和药物运送到身体各处的蛋白质。为制造这种肝脏，打印机叠加了约20层肝实质细胞和肝星状细胞，这是两种主要的肝细胞。至关重要的是，它还添加了来自血管内壁的细胞。它们形成一张精妙的管道网向肝细胞供应养分和氧气，使细胞组织得以存活5天以上。
打印器官不但可以解除患者的痛苦，而且会对药物产业产生巨大影响。未来，药物开发和试验过程可能不再需要各种级别的动物实验和人体试验，研发人员可以直接在这些打印出来的活器官上进行试验和改良，可以把新药开发的周期缩短数年，大大节省新药的研发费用。
打印器官只是迈出第一步
对医疗界而言，三维打印技术开拓了一个前所未有的造物新纪元，它预示着一场医学新革命或将来临。我们可以大胆畅想，在三维打印技术发展成熟时，只需轻轻按下按钮，就能让三维打印机制造出我们所需要的器官。
不过，距离这一天的到来还很遥远。由于人体组织的复杂性，器官构建绝不单单是打印材料的有序堆积。目前，打印器官只是万里长征迈出第一步，真正意义上的应用还有许多难题需要解决。比如，打印出来的器官如何融入人体？打印时如何保证全过程无菌？一句话，从人体器官被打印出来，到真正应用于临床，这中间要走一段很长的艰辛之路，需要不同学科的科学家通力合作。此外，三维打印技术就像20世纪末的克隆技术一样，还可能带来生物伦理方面的挑战。但是，无论如何，科学总是在争论和矛盾中不断前行。
