如何3D打印器官

数十万的人在等待器官移植，很遗憾，能够满足需求的器官捐献者数量远远不足。于是人们思考，是不是可以从零制造出人体器官。于是生物3D打印这个概念孕育而生，这一技术有望帮助我们通过3D打印的方式制造出人体的器官或组织。目前有数十万人在器官移植名单上，等待重要器官捐赠，像是肾、心脏和肝，来拯救他们的生命。很遗憾，器官捐赠供不应求。如果除了等待，我们还有办法从无到有，创造出全新的、定制的器官呢？

这就是生物3D打印的理念。

生物3D打印是再生医学的分支，目前处于发展阶段。我们尚未能打印出复杂的器官，但例如血管和负责交换营养和废物的管道这些较简单的组织已经在我们掌握之中。生物3D打印和 3D 打印原理相似，

将层层的材料堆叠在一起，一次一层，建构出一个三维物体。普通的 3D 打印机使用金属、塑料或陶瓷，而制作器官和组织的生物3D打印机使用“生物墨水”：一种含有活细胞的可打印材料。

许多生物墨水的主体是一种富含水的分子，称作水凝胶，水凝胶里混合了上百万个活细胞和各种用来促进细胞交流和生长的化学物质。有些生物墨水只含单一一种细胞，有些则结合许多不同种的细胞，

来制造出更复杂的结构。假设你想要打印一个半月板，半月板是膝盖里的一块软骨，用来避免胫骨和股骨互相摩擦。它由软骨细胞组成，你需要有健康的软骨组织供应，来制作你的生物墨水，这些细胞可能来自捐赠者，他们的细胞系在实验室里被复制，

这些细胞也可能来自病患自身的组织，这种定制的半月板可以有效避免发生排斥反应。现在有几种生物3D打印技术，其中最常用的是微挤出式生物3D打印。这项技术将生物墨水载入打印机，然后将它挤入打印头上的柱状喷嘴。墨水会从喷嘴挤出，喷嘴的直径一般不会超过 400 微米，可以挤出连续不断的线丝，厚度和人的指甲差不多。计算机图像或档案会引导线丝布局在平面，或是辅助固定结构的液槽里直到其稳定。打印机的速度很快，一次一线的制造出一个半月板，只要半小时。打印完成后，有些生物墨水会立即变硬；有些则需要紫外线，或额外的化学或物理加工来稳定结构。

如果打印过程顺利的话，人造组织里的细胞会开始表现得和真实组织里的细胞一样：互相发出信号、交换养分以及****繁殖。我们已经能够打印出像半月板这样相对简单的结构，也已经成功植入过生物3D打印的膀胱，打印出来的组织还成功促进了老鼠脸部神经再造。研究人员已经创造出人造肺组织、皮肤及软骨，还有微缩版、半功能性的肾、肝和心脏。然而，复制主要器官复杂的生化环境是一项严峻的挑战。微挤出式生物3D打印可能会破坏墨水里很大一部分的细胞，如果喷头太小或打印压力太高。

其中一项最艰巨的挑战，是如何为一个原尺寸的器官里所有的细胞供给氧气和营养。这就是为什么到目前为止，最成功的案例都是平坦或空心的结构，这也是为什么研究人员正积极研发将血管纳入生物3D打印中的方法。生物3D打印具有极大的潜能，它可以用来拯救生命，以及提高我们对器官运作的了解。

这项科技开启了一系列的可能性，像是用嵌入式电子产品打印组织。在未来，我们是否能够设计出超越现在人类能力的器官，或是赋予人们特殊功能，例如不可燃的皮肤？打印及更换器官能延长人类寿命多久？什么人，什么领域有权使用这项科技和其惊人的成果？

Rice大学工程学院生物工程助理教授Jordan Miller在一份声明中解释说：“生产功能性组织替代物最大的障碍之一是我们无法打印出复杂的血管系统，而血管系统可以为密集组织提供营养。此外，我们的器官实际上包含独立的血管网络，比如肺的气道和血管，或者肝的胆管和血管等，这些相互渗透的网络与组织功能密切相关。我们是首个以生物打印技术的方式解决多血管化挑战的组织。”

Miller的同事、华盛顿大学的Kelly Stevens强调了这一进展的重要性。Stevens说：“组织工程学在这方面已经经历了一代人之久，如果我们能打印出看起来、甚至呼吸起来都很像我们身体里健康组织的血管，那么它们的功能表现会更像那些组织吗？这是一个重要的问题，因为生物组织功能的好坏将影响治疗的成功程度。”

科学家们预计，生物技术将在未来的20年内成为主流医学的一部分。