震撼！直接3D打印可移植的组织器官

近年来，3D打印技术风起云涌，X-MOL曾经报道了直接从液体中“拉”出3D部件的高速打印机（《终结者2》经典场景震撼再现，《Science》发表"真"3D打印技术）和直接打印药物的3D技术（美国FDA批准首个3D打印药物），不过，这些显然不是科学家想象力和创造力的极限。最近，北卡的Wake Forest大学医学院的Anthony Atala教授的研究团队研发出了一种被命名为integrated tissue–organ printer（ITOP）的3D打印机，第一次实现了利用活细胞作为“油墨”打印活体组织器官，并在实验动物中进行了测试。这些打印出来的器官大小和外形像真实器官，结构也足够结实，可根据需要进行定制，功能上也可作为真实器官的替代品。

“它可用于制作任何形状的人用尺寸的稳定组织。随着其进一步的发展，这种技术可能被用于打印手术移植所需的活体组织和器官，”Anthony Atala教授说。这项研究成果发表在《Nature Biotechnology》上。（A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat. Biotechnol., DOI: 10.1038/nbt.3413）

3D打印的人造耳。图片来源：Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

在这之前，生物打印机已被用来打印微型的器官或更简单的版本，这其中包括大脑和肾脏组织,  这使得科学家们可以用它们来代替实验动物进行研究，但是到现在为止，还没有人能够打印大型、稳定并足够“活”的器官来用于可靠的移植手术。

要实现这个目标，一个最大的障碍在于搞清楚如何使细胞在打印过程中保持存活，以及如何构建保持器官运行的所有结构，如血管和循环系统，以保持必需的氧气供应。

“细胞在没有微型血管（直径小于200微米）支持的情况下根本就无法生存，”Atala说，并补充说这正是过去的生物打印机的限制因素之一。

ITOP打印机。图片来源：Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

Atala和他的团队想出了解决这一问题的方案，他们的办法是将取自移植者的活细胞与能模拟生物组织、肌肉和软骨的可生物降解材料结合。这些可生物降解材料保证了这些人造器官在手术移植时所需的3D结构，一旦这些部件被移植到位，这些可生物降解材料会缓慢降解，最终只留下生物材料。与此同时，细胞会分泌支承基质，以帮助维持植入物的形状，最终细胞会自给自足地重新组织起来，从而不再需要原来的“模板”材料。至于细胞需要微型血管支持的问题，Atala团队通过在打印器官中设计微通道来解决，这些微通道能帮助养料和氧气扩散至细胞。

打印人造耳过程（建议在WIFI环境下观看）

研究人员通过使用提取自人、兔、小鼠和大鼠的活细胞，打印出了耳、骨和肌肉的结构，证明了这种技术的有效性。尽管他们还没有在人体进行测试，但是当他们在小鼠的皮下植入人耳大小的“打印耳”后，这个耳朵保持了形状，并在两个月里长出了新的支撑软骨并保持了健康的血液供应。

在大鼠接受3D打印肌肉组织两个星期后，神经细胞开始围绕新组织生长。在另一个为期五个月的试验中，3D打印的部分颅骨被植入大鼠体内，科学家们观察到了新的骨骼组织形成，并有正常的血液供应。

Atala团队下一步的工作是争取进行人体实验，并构建更复杂的器官。

1. https://www.nature.com/articles/nbt.3413 

2. https://www.theguardian.com/science/2016/feb/15/bioprinter-creates-bespoke-lab-grown-body-parts-for-transplant