2022年，在美国得克萨斯州的圣安东尼奥，阿图罗·博尼拉博士小心翼翼地将一只外耳植入到一名20岁女子的身上，这名女子天生缺少一只外耳。右侧植入的外耳是按照她左侧外耳的大小和形状构建的。

博尼拉是一位有着25年以上经验的小耳畸形外科医生（**耳部先天缺陷的医生），也是该领域公认的专家，对他来说，这样的手术很常规。但这个案例令人意想不到的点在于这是他**将3D打印的耳朵（利用该女子自身的软骨细胞）植入人T。

博尼拉告诉我，植入手术“非常顺利”。总而言之，说手术非常顺利，那**是轻描淡写。

从近乎虚构走向萌芽，再走到真实的科学研究，3D生物打印应用于医学研究的方方面面都取得了进展，如今，3D生物打印正在实践方面取得进步。虽然进展缓慢，一些宏大的3D计划设定的目标日期是在几十年后，但3D生物打印着实取得了实实在在的进步。

位于以色列的特拉维夫大学（Tel Aviv University）的组织工程和再生医学主任塔尔·德维尔教授说：“我认为在10年内，我们能够打印出用于移植的器官。我们将从像皮肤和软骨这样的简单器官开始，然后转向更复杂的组织——*终的目标是打印心脏、肝脏和肾脏。”

3D生物打印的未来

这听起来很玄乎，但已经成为现实了。多层皮肤、骨骼、肌肉结构、血管、视网膜组织，甚至微器官都已经被3D打印出来了。虽然这些打印出来的组织还没有被批准用于人体，但科学发展的进程令人叹为观止——博尼拉的耳朵手术是**将3D打印的耳朵（利用活细胞）植入人体，这是一大里程碑事件。

根据2022年的一份摘要和仿生胰腺的制造者米哈尔·弗绍瓦博士的介绍，波兰的研究人员生物打印了一个具备各种功能的胰腺原型，在观察的两周时间里，猪体内血液流动稳定。United Therapeutics Corporation已经 3D打印了一个人类肺部支架，****全长达4,000千米，还有2亿个肺泡（微小的气囊），可以在动物模型中进行氧气交换，这是制造可耐受、可移植的人类肺部的关键一步，该公司的目标是让打印的人类肺部支架在五年内被批准用于人体试验。

在维克森林大学再生医学研究所（Wake Forest University Institute for Regenerative Medicine），科学家们开发了一种移动式皮肤生物打印系统。在不久的将来，他们预计能够直接把打印机推到伤口难以**（例如**）的患者床边，然后扫描和测量伤口面积，并将3D打印的皮肤一层一层地直接打印到患者的伤口表面。他们还进行了深入研究，3D打印的骨骼肌构建体已被证明可以在啮齿动物身上实现收缩功能，而且胫骨前肌80%以上先前丧失的肌肉功能能够在八周内得到恢复。

德维尔自己的实验室已经3D打印出一颗“兔子心脏大小”的心脏，正如他所说的，这颗心脏充满细胞、心室和主要血管，还可以和心脏一样跳动。教授指出，尽管按照比例放大的过程非常复杂，但打印全尺寸的人类心脏需要采用同样的基本技术。“我们如今正在研究起搏细胞、心房肌细胞和心室肌细胞。”德维尔表示。“目前看起来进展不错。我相信这就是3D生物打印的未来。”

3D生物打印是如何工作的

3D打印人T体器官这样的概念令人震惊。根据美国联邦卫生资源和服务管理局（Health Resources and Services Administration）的数据，目前有近10.6万美国人正在等待器官移植，每天有17人在等待器官移植时死亡。利用患者自身细胞培育器官的3D打印技术不仅可能导致等待器官移植的患者减少，还会大大降低器官移植排异的几率，并可能消除终生服用对身体有害的**抑制**的需求。

斯坦福大学（Stanford University）的生物工程系助理教授马克·斯凯拉-斯科特说：“两项（3D）技术为组织工程领域带来重大革新，一是将不同类型的细胞放置在**的位置以构建复杂组织，二是整合血管以输送必要的氧气和营养物质来保持细胞存活。在过去的20年里，该领域发展非常迅速，从打印膀胱到如今能够打印带有可以与泵相连的血管的复杂组织，以及类似于带有集成各种心肌细胞的心脏组织的复杂3D模型。”

在3D生物打印中，*重要的部分就是细胞。就3D生物打印过程而言，首先是生成研究人员想要生物打印的细胞，然后指示它们形成特定器官细胞类型。然后，这些细胞被制成能够打印的活墨水或生物墨水，包括将它们与明胶或海藻酸盐等材料混合，以使它们具有类似牙膏的粘度。斯坦福大学的实验室正在研究，高密度地挤在一起的干细胞是如何自然地形成这种粘度的，这可能会导致3D打印器官完全由患者自身的细胞制成。

斯凯拉-斯科特指出，生物墨水被装入注射器，然后“就像蛋糕上的糖霜”一样从喷头中挤出。这是真正的3D生物打印过程，它通常包括放置不同类型的细胞，每个细胞都被装入不同的喷头。（德维尔说，打印这个迷你心脏花了大约4个小时。）一旦完成，组织有时会被连接到一个泵上，这样就可以为该组织输送氧气和营养物质。随着时间的推移，该组织就会自行发育，成熟度会不断提高，功能也会更加完善。

这个大致的过程，虽然在这里被大大简化了，但阿图罗·博尼拉医生在得克萨斯州将这个过程的产物——打印的外耳——植入患者。在以前的大多数小耳畸形手术里，博尼拉会从患者肋骨上提取软骨，将其雕刻成耳朵的大致形状。这一次，博尼拉在患者的另一只耳朵上进行了一个小的活检，从活检中提取的软骨细胞被培养成数十亿个细胞，这些细胞被3D打印成了新的植入物。

博尼拉说：“与任何研究一样，为了尝试改进这项技术，未来的患者可能会经历迭代。我们不确定这将在何时成为主要**方法，但该技术的未来是非常激动人心的。”

3D打印的优势

维克森林大学的科学家多年来一直在实验室培育器官和组织。他们在实验室里用3D打印技术制造了一个迷你肾脏和一个迷你肝脏。下一个挑战：更大的、可以更充分地模拟器官功能的实心结构。“在器官尺寸上，我们离实现这一目标还有很长一段路要走。”哈佛大学（Harvard University）怀斯生物启发工程研究所（Biologically Inspired Engineering）的教授詹妮弗·刘易斯表示。

“我们已经能够打印出像皮肤这样的平面结构，像血管这样的管状结构，或者像膀胱这样的空心非管状器官。”维克森林研究所的创始主任安东尼·阿塔拉说。“由于血管和营养方面的挑战”，打印更大的实心器官是不同的，毕竟“每厘米就有非常多细胞。”

在细胞制造的某些方面，还存在质量问题。科学家们已经可以从干细胞中制造出心肌细胞，但制造出的心肌细胞无法像你的心肌细胞那样强烈地跳动。肝细胞（代谢）和肾细胞（滤液摄取）的情况也是如此。斯凯拉-斯科特称：“从某些方面讲，3D生物打印领域正在等待基础生物学家取得重大突破。”

还有一个问题是数量问题。制造一颗心脏需要“数十亿个细胞——而且需要不同的细胞，甚至是不同的心肌细胞。”塔尔·德维尔说道。根据斯凯拉-斯科特的说法，要为一个器官制造足够的细胞，制造厂需要一个10升的搅拌缸，每天可能要花费5,000美元，而且需要连续几个月才能够完成。*终目标是每个月培育上千个器官，而不是一个器官。

3D Bio Therapeutics的**执行官及联合创始人丹·科恩表示，除此之外，还有组织如何融入人体以及如何得到人体的支持等问题，包括复杂的血管、神经和多种细胞类型网络。“这并不是说这一点无法做到。”科恩说，他20年前就开始在生物打印领域工作，当时这个领域连个正式的名字都没有。“我对生物打印和再生医学的广泛应用抱有很大希望。”

就短期而言，进展也是非常显著的。刘易斯表示，哈佛大学的研究人员从人类多能干细胞中培育出心肌细胞，然后将它们植入带有传感器（这些传感器可以追踪跳动的组织）的生物工程芯片上。这种3D打印的芯片上的心脏能够用于测试各种心脏**的潜在毒副作用，并可能减轻对动物试验的需求。（类似的芯片上的肌萎缩性侧索硬化症技术正在被用于筛选候选**，这样也可以更好地了解这种**的潜在机制。）

维克森林大学的阿塔拉说：“3D打印机有几大优点。首先是能够扩大规模，因为你可以用打印机自动化打印（组织和器官），而不是手工一次完成一个。其次是能够确保**度。我们可以更**地将细胞放置在需要它们的地方。”

再有一点就是能够降低整体成本，这是因为3D打印允许加大规模。这就是阿塔拉所说的“可重复性”（一种可以反复制造相同结构的方法）。在器官移植方面，由患者自身细胞制成的新器官能够大大降低排异反应的可能性。

大多数研究人员认为，全尺寸3D打印人T器官移植还需要20年到30年的时间。“展望未来，我们将无需接受心脏捐赠，也无需接受肝脏捐赠。”德维尔说。“这是我的观点，而且我很乐观，我认为在不到20年的时间里，就会出现打印的器官被植入患者体内。”这是科学在发挥作用，而不是科幻小说。（财富中文网）