本刊記者/管浩

從“生物墨水”到“生物混凝土”，3D 生物打印是否有望成真？

在電影《王牌特工》中有這樣一個場景：特工哈里的頭部中槍倒地，后來被發(fā)現并帶回了基地搶救。救援人員先把哈里的頭包起來，再注入抗震水凝膠并用納米技術修復頭上的傷口，最后他成功復活。

“雖然對這個橋段觀眾們都吐槽有些無厘頭，這也與當前的醫(yī)療發(fā)展情況嚴重不符，但我想，未來的臨床治療和急救場景一定是和電影中的一樣，是十分便攜、快速、智能、高效的?！闭憬髮W機械工程學院賀永教授表示，“到那時，在戰(zhàn)場、火情、抗震救災等場景中，會有大量的高智能機器人手提著裝有‘生物混凝土’墨水的急救包，自主發(fā)掘傷員、分析傷員傷情及缺損結構，并利用‘生物混凝土’墨水對缺損進行原位打印，使傷員不錯過最佳的救助時機?！?/p>

“生物混凝土”的提出

由于對生命延續(xù)的渴求，一直以來，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標。生物3D 打印是醫(yī)學、生命科學、材料學、信息技術、組織工程、制造學、臨床試驗等多學科交叉的產業(yè)，沒有太多成熟的經驗可供借鑒。

從20世紀80年代到今天，3D 打印走過了—條漫長的發(fā)展之路。生物3D 打印作為3D 打印的重要分支，從2000年左右被提出至今，也取得了重大進展。

近年來，3D 生物打印技術在組織與器官再造領域蓬勃發(fā)展，國內外許多跨學科研究團隊致力于開發(fā)新型生物墨汁、支架等，獲得了具有一定功能性的組織和類器官，促進了臨床前測試的體外模型和仿生植入物的制造研究，但目前多處于實驗室研究階段，少數進展到了臨床試驗階段。

生物3D 打印過程可以分為準備、處理和后期處理三個基本階段。準備階段是通過計算機圖形軟件（如：CAD/CAM）設計出解剖學上精確的3D 模型，以及材料或生物墨水的選擇；處理階段是使用生物打印機進行實際打印過程；后期處理是指制造的構建體在生物反應中的成熟及其結構和功能表征。

其中，設計打印器官的模型與生物墨水的選擇是3D 生物打印技術的關鍵。

近日，浙江大學機械工程學院賀永教授團隊（EFL團隊），提出了全新的“生物混凝土”墨水思路。據介紹，“生物混凝土”中的“石子”組分是由高壓電場噴射工藝獲得載細胞的水凝膠微球，并在后續(xù)培養(yǎng)過程中加入誘導培養(yǎng)基展開預功能化；而“水泥”組分則是直接配制的高濃度水凝膠預聚液，將二者按一定比例混合即獲得“生物混凝土”墨水。結合EFL 團隊開發(fā)的機器人原位生物3D 打印系統(tǒng)，可根據患者組織缺損處的形態(tài)，直接在缺損處沉積“生物混凝土”，實現組織再生及修復。

目前，相關論文已在Nature Commu-nications上發(fā)表。文章中介紹，團隊通過加入負載骨間充質干細胞（BMSCs）的“生物混凝土”墨水，成功實現了動物顱骨缺損的修復。賀永教授表示，絕大部分生物組織都有望利用“生物混凝土”墨水進行不同程度的修復，并且在后續(xù)對“生物混凝土”墨水的不斷改良過程中，團隊將逐步探究對其他組織的損傷修復。

為什么我們需要生物3D 打??？

生物3D 打印分許多種，比如鈦合金關節(jié)、缺損修復的硅膠假體、活性陶瓷骨、可降解的血管支架等，但其中最重要也最受關注的，還是器官的3D 打印。

迄今為止，許多醫(yī)學難題諸如腎衰竭、惡性腫瘤等，臨床上的行之有效的治療方式仍為器官移植手術。然而，異體器官移植一直以來都存在供體不足的問題，且配型的成功率也不高，需要器官移植的病人能做的事情只能是等待。

據統(tǒng)計，我國每年大約有150 萬人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年卻僅有約1 萬人能得到器官移植的救治。單以腎移植手術為例，每年進行移植的患者為3000 人，而需求者高達30 萬人。大多數患者在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。另外，器官移植后還存在免疫排異反應，需要長期進行免疫抑制治療。

然而，生物3D 打印技術的出現或將成為等待器官移植患者的備用選擇，為組織或器官短缺的問題提供了全新的解決方案。

生物3D 打印可以自身的成體干細胞經體外誘導分化而來的活細胞為原料，在體外或體內直接打印活體器官或組織，從而取代功能喪失的器官或組織。目前，生物3D 打印在器官移植領域已取得了一定的成績，被應用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質結構的再生與重建。

醫(yī)學的發(fā)展依賴于社會科學技術水平的進步，但由于醫(yī)療行業(yè)具有自身的特殊性，個性化是醫(yī)療行業(yè)不可忽視的特性。目前，醫(yī)療產品大都是標準化大生產制造品，只有少量固定規(guī)格，無法滿足患者個性化需求，生物3D 打印技術的出現也為臨床醫(yī)學提供了嶄新的空間和無限的可能。

經過了近20年的高速發(fā)展，生物3D 打印技術已日趨成熟，也給醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展許諾了一個美好的未來，但即便如此，筆者認為，想要達到最初的器官打印的設想或許還有很長的路要走。