【中國智能制造網(wǎng) 技術前沿】美國科學家研發(fā)出了一款可以打印大尺寸“活”組織的3D打印機，這些組織移植到老鼠身上后能夠長時間地存活，并逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項新的突破使科學家距離3D打印出真正的組織乃至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。　　1986年，美國人查爾斯·赫爾（CharlesHull）發(fā)明了3D打印技術。在隨后的30年間，尤其是進入二十一世紀以來，隨著材料科學、計算機技術等諸多領域的進展，3D打印技術取得了長足的進步。如今，你能在網(wǎng)上下載到各式各樣的3D模型文件，用3D打印機為自己打印一個小擺件。但3D打印技術的應用遠遠不止局限在給人們的生活增添一抹亮色上：設計師可以用3D打印機把自己設計的作品的模型打印出來，讓客戶有更加直觀的體驗；在工業(yè)生產上，有越來越多的零部件的生產正在使用著3D打印技術，比如，空中客車公司就宣稱其生產的A350XWB機型的飛機有超過1000種零部件是用3D打印技術生產的；科學家和醫(yī)生能夠用3D打印機根據(jù)病人的體貌特征，“定制級”地打印出各類植入物，為病人做移植手術。
　　
　　在3D打印技術方面，美國科學家近在生物醫(yī)學領域又有了新的突破。在2月15日提前在線發(fā)表在《自然生物技術》（NatureBiotechnology）雜志上的一篇論文中，美國維克森林大學（WakeForestUniversity）再生醫(yī)學研究所的科學家報告了他們研發(fā)出的一款3D生物打印機。使用這種“集成型組織-器官打印機”（IntegratedTissue-OrganPrinter），研究人員成功地打印出了大尺寸的“活”的組織，包括一個外耳形狀的軟骨、下顎骨、頭蓋骨以及肌肉組織。把這些組織移植到老鼠身上后，這些組織都能夠長時間地存活下來，并且逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項新的突破使科學家距離3D打印出組織甚至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。
　　
　　生物打印的困境
　　
　　3D生物打印機和常規(guī)的3D打印機的原理完全一樣，也是根據(jù)預先設計好的打印程序把“墨水”逐層打印出來，終得到需要打印的物體。與常規(guī)的3D打印機之間的區(qū)別在“墨水”上：3D生物打印機的“墨水”通常都是各類生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料。根據(jù)不同的打印目的，在打印時這些材料中有時還會包含有活的細胞。這些生物或者人工合成材料的作用有的是為細胞提供一定程度的保護、促進它們的生長，其它一些材料則是扮演“骨骼”的角色，把打印出的組織“撐”起來，防止其“坍塌”。由于打印時需要保證不破壞這些生物材料和細胞的生物學活性，所以3D生物打印機對打印條件的要求更為苛刻（比如打印溫度不能過高，打印時間要盡量短等等）。
　　
　　“集成型組織-器官打印機”并不是科研人員研發(fā)出的款3D生物打印機?？茖W家一直以來都在致力于使用生物材料和細胞作為“墨水”打印出組織甚至器官。如果能夠打印出組織或者器官，科學家不僅能夠使用它們對各種疾病進行研究，而且還能把它們用于檢測新研發(fā)的藥物的療效和毒副作用，甚至還能將這些組織和器官移植到病人的體內，減輕病人的痛苦、挽救病人的生命。
　　
　　遺憾的是，長期以來，這些嘗試都面臨著很大的困難。由于不同“墨水”的化學和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印機（現(xiàn)有的3D生物打印機“噴灑”“墨水”的原理不止一種，比如有的類似于普通的噴墨打印機，有的“噴灑”“墨水”的方式更像擠牙膏）也有各自的優(yōu)缺點，此前的3D生物打印機要么打印出的組織厚度有限，要么難于打印出外形復雜的組織。
　　
　　另一方面，打印出的組織要長期“存活”，其中的細胞必須要源源不斷地獲取營養(yǎng)物質和氧氣。由于打印出的組織中沒有血管，所以組織深處的細胞要獲取這兩類物質只能依賴于它們自己擴散到細胞所在的位置?？茖W研究發(fā)現(xiàn)，在3D打印出的組織中，營養(yǎng)物質和氧氣的擴散極限只有100-200微米（0.1-0.2毫米），這個限制使此前打印出的組織通常尺度都極其微小，多數(shù)都停留在毫米級，很多甚至不足1毫米。　　　　“配方”和兩套“骨骼”
　　
　　在這項新的研究中，科學家通過兩種策略解決了這些難題。
　　
　　首先，他們同時選取了多種生物材料來為細胞提供保護，支持細胞的生長。在打印前，這些生物材料和細胞會被混合到一起，形成一種復合水凝膠（hydrogel），作為打印時的一種“墨水”。經過不斷的嘗試，科學家為這種“雞尾酒”中不同成分的比例找到了一種恰到好處的配方。這種配方的“墨水”無論是在均勻性、黏稠度、細胞在其中的存活率還是為打印機提供的分辨率上都非常得令人滿意（根據(jù)需要打印的組織的種類，科學家優(yōu)化出了各不相同的配方）。
　　
　　在三維結構上，科學家為打印的組織制備了兩套“骨骼”。
　　
　　在打印的組織的內部，科學家使用一種合成材料為打印的組織提供支撐。在打印時，先用這種材料打印出一層一層外觀類似紗窗的支撐網(wǎng)，隨后再把含有細胞的復合水凝膠打印到支撐網(wǎng)的網(wǎng)眼里（實際上，根據(jù)所打印的組織的種類，這項研究采取了兩種不同的“內骨骼”排布策略，這只是其中的一種）。這種策略為打印出的組織提供了強大的“內骨骼”。
　　
　　為了進一步給組織提供支撐，科學家還使用另一種合成材料在整個組織的外周打印了一套“外骨骼”，防止組織在打印時發(fā)生大尺度層面上的“坍塌”。這套“外骨骼”更像是腿骨骨折病人的一根拐杖。和病人痊愈后就不再需要拐杖幫助站立一樣，這個“外骨骼”只是在打印過程中和打印完成后的一段時間里為組織提供支撐。在打印完成并用特定的方式進一步“加固”組織之后，科學家會用液體把這些“外骨骼”洗掉，讓打印的組織完全靠自己“站起來”。