空间站3D生物打印：开启太空造“心”之路

    2020年1月，美国微重力设备制造商Techshot旗下的3D生物打印机在国际空间站美国国家实验室成功打印了大量人心脏细胞，完成了其目标在太空制造心脏和肺等人体器官的第一步。

    该设备的正式名称为：

    3D生物制造设备(BFF, 3D BioFabrication Facility)，由Techshot公司与3D生物打印机和电子打印机制造商nScrypt合作开发，于2019年7月乘坐SpaceX CRS-18前往国际空间站。

    Techshot公司计划从制造最简单的人体组织如心脏贴片开始，逐步增加复杂性，最终实现在太空中制造完整的人体器官，并用于地面人体器官移植，以缓解器官短缺的问题。

     随着器官移植技术的日臻完善和手术成功率的不断提高，器官移植已成为器官损坏患者延续生命、恢复健康的重要手段。然而在许多国家，等待器官移植的患者数量远远大于器官捐献者的数量。仅在美国，平均每天就有20人在等待器官移植期间死亡，有幸等到合适器官并移植成功的患者，也需要长期服药来克服术后的排异反应。因此，实现器官“复制”一直是医学界的梦想。

      3D生物打印是以人体细胞、生物激素、生长因子等物质为“墨水”，利用3D打印技术来构建具有生物功能的人体组织器官，例如，皮肤、软骨、肾脏、心脏等。由于是以患者自身的细胞为“原材料”，因此可以完全避免发生排异反应。自从2010年，全球首台生物打印机使用人体细胞制造出首例血管以来，全世界科学家已经在人工血管、软骨组织以及肾脏、肝脏、皮肤等器官3D打印领域取得了不同程度的进展。特别是在2019年以色列特维拉夫大学的科学家打印出了一颗缩小版的3D心脏，这颗心脏不仅有与人体心脏相似的心室、心房和大的血管等结构，还可以自主“跳动”。但在毛细血管等一些微小复杂结构方面，目前还不能实现，因此距离真正应用到人类器官移植还有较大的差距。

    如同普通3D打印机，3D生物打印机通过将包含人体细胞的“生物墨水”连续逐层叠加生成三维结构，这些结构需要支撑或脚手架，以形成所需的形状。在地面重力环境中，3D生物打印往往需要使用较粘稠的生物墨水来提供结构性支撑，这些生物墨水除了包含创建器官所需的人体细胞、激素、生长因子等生物材料外，通常还要添加一些支架材料或增稠剂，这导致墨水的粘度很高，限制了高精度打印头的使用，不能用来打印一些最微小、最复杂的结构，例如人体器官内的毛细血管。

    在太空微重力环境中进行器官或组织打印，打印的3D结构将保持其形状，无需提供支撑或脚手架。因此能够使用低粘度的墨水和更加精细的打印头，精确“复制”人体器官内的一些微小的精细结构。这些结构一旦被打印出来，将被放置在一个细胞培养系统中，经过一段时间的培养，细胞之间的联系会逐渐增强，直到形成具有活性、可自我支撑的器官组织，即使回到地面重力环境，它们也能保持原有形状。因此，空间微重力环境可以实现比地面普通环境更加精确的3D生物打印，为制造心脏、肺等人体器官提供更加理想的环境。

    由于空间微重力环境在3D生物打印与人体器官制造领域的广泛应用前景，世界上已有多个团队加入了空间3D生物打印竞赛。

    早在2016年6月，Techshot公司就使用nScrypt的3D打印机以及Bioficial Organs的生物墨水在高性能失重飞机上开展了零重力3D生物打印实验，利用人心脏干细胞完成了心脏和血管结构的打印；2019年7月，3D生物制造设备BFF发射到国际空间站；2020年1月BFF开展了打印人类心脏细胞实验。

    2018年12月，俄罗斯医疗企业Invitro使用磁性3D生物打印机Organaut成功在国际空间站打印出小鼠甲状腺及软骨组织，这是人类首次在太空3D打印出生物器官组织。

磁性3D生物打印机Organaut

      2019年7月，德国德累斯顿技术大学开发了一种可以在太空环境下使用的3D生物打印方式，让航天员基于血浆来完成皮肤细胞或骨骼干细胞的打印。

    而日本采用了另外一种方法加入空间人体器官制造竞赛：先将IPS细胞（重编程多能干细胞）培养成器官原基，然后，再使其分化成立体的器官。这项技术将于2020年秋在国际空间站日本KIBO（希望号）舱开展实验。