未來黑科技
醫(yī)學(xué)界近年來出現(xiàn)一些讓人嘖嘖稱好的黑科技。從代替縫線的膠水到用基因療法改造皮膚，新技術(shù)層出不窮。

從實(shí)驗(yàn)室到臨床實(shí)驗(yàn)，這些黑科技的研發(fā)過程通常都?xì)v經(jīng)了十多年，甚至數(shù)十年。作為材料專家，我們想在這里與大家分享未來將在醫(yī)療領(lǐng)域大放光彩的黑科技技術(shù)——3D生物打印。

打印人體器官？真的靠譜嗎？
3D生物打印成的人體器官聽起來可能帶有點(diǎn)兒“科幻”的色彩，但近年來，3D打印技術(shù)屢見報(bào)道，關(guān)注生命科學(xué)的各位可能還看過不少類似新聞。然而，請(qǐng)注意：現(xiàn)在宣稱實(shí)現(xiàn)了3D打印器官的，基本都在“瞎吹”——這些所謂的3D打印器官并不是“活”的，也就是說根本無法達(dá)到移植的需求。這就和現(xiàn)階段利用3D技術(shù)打印出來的漢堡一樣，并不會(huì)有人拿來吃。
幾十年來，科學(xué)家們?cè)欢扰L試在實(shí)驗(yàn)室里培育人造器官，其好處不言而喻：誘導(dǎo)病人的自體細(xì)胞進(jìn)行分化，可以減少器官)移植中的排斥反應(yīng)。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的器官，比如氣管就是比較成功的例子。
但是，我們常常聽到的“成功培育”，大多都有賺眼球之嫌。所謂的“成功從干細(xì)胞培養(yǎng)出肝臟”，甚至培育眼球，都只是徒有其表。不論使用何種培育方法，缺少血管始終是實(shí)驗(yàn)室培育人造器官)移植以來面臨的大問題。

因此，種種“成功”案例并不意味著這些器官可以直接用于移植手術(shù)——器官中布滿了錯(cuò)綜復(fù)雜的血管，每個(gè)細(xì)胞距離近的血管大概只有200微米的距離，沒有這些輸送供給的“管道”，器官怎么可能有生命呢？

3D生物打印技術(shù)讓我們距離制造“活”的器官越來越近了——從幾毫米直徑的動(dòng)脈血管到納米級(jí)別的毛細(xì)血管，都可以借助3D打印進(jìn)行培育。
哈佛大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)找到了利用3D生物打印技術(shù)得到血管的方法。




這些管道被包裹在一塊類似果凍一樣的水凝膠材質(zhì)中，還有點(diǎn)像一塊葉脈標(biāo)本，是不是很漂亮？這塊水凝膠就像是細(xì)胞基質(zhì)，它的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)非常類似于天然的細(xì)胞環(huán)境，也是構(gòu)成“打印”環(huán)境的好材料。生物墨水構(gòu)成“管道”，嵌在細(xì)胞基質(zhì)中。后，凝膠材質(zhì)被“吸”走，只留下這些管道。這些細(xì)胞通過培養(yǎng)，能夠在管道中被培養(yǎng)成血管。

近, 以色利特拉維夫大學(xué)的科學(xué)家們憑借3D生物打印技術(shù)，成功利用從病人體內(nèi)提取的細(xì)胞，培育出了人造心臟。與以往不同，這個(gè)人造心臟是由人體細(xì)胞，血管，心室和心房組成，是一顆完整的心臟，具備了心臟正常工作所需的所有組成部分。雖然這只“心臟”只有兔子心臟大小，而且還不能跳動(dòng)， 但它卻是器官打印研究中一個(gè)非常重要的里程碑，具有非常大的意義。這個(gè)科研小組下一步將研究如何“教”3D打印出的心臟正常工作，并逐步應(yīng)用于動(dòng)物試驗(yàn)。
 
以色列特拉維夫大學(xué)用人體細(xì)胞3D生物打印出的人工心臟。照片攝于2019年4月15日
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

揭秘“3D生物打印”
下面讓我們來了解一下3D 生物打印究竟是什么樣的一種“黑科技”。
3D生物成功利用了3D 打印的技術(shù)盡可能模仿自然組織特征的3D 細(xì)胞和構(gòu)建如皮膚、血管、心臟等諸多組織/器官原型。這項(xiàng)黑科技有非常大的潛力來解決醫(yī)療領(lǐng)域的難題。3D打印的生物模型不僅可作為體外病理模型，服務(wù)于藥物篩選、病理研究、非動(dòng)物實(shí)驗(yàn)化妝品測(cè)試， 也可以為醫(yī)生們提供組織支架和組織貼片，用于組織的再生。終，為實(shí)現(xiàn)未來“器官替換”奠定了重要基礎(chǔ)。
3D 生物打印過程中，關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)是生物墨汁的制備。生物墨汁是高分子生物材料，ECM 成分，生長(zhǎng)因子以及生物細(xì)胞混合的液體。生物墨汁將在后續(xù)的打印過程中用累積制造工藝來精（確打造和自然組織相近的3D結(jié)構(gòu)。而目前主要有三種平臺(tái)技術(shù)已經(jīng)用于生物打印中： Inkjet-based (噴繪)，Extrusion-based (擠制)， 以及Laser-based (鐳射)。

 
Inkjet-based (噴繪)，Extrusion-based (擠制)， 以及Laser-based (鐳射)等三種常用的3D 生物打印平臺(tái)

默克近年來也在致力于研究用于3D打印新材料以及生物墨汁。于我們而言，3D打印材料在生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展大概分為三個(gè)階段：傳統(tǒng)材料，高級(jí)生物材料和真正的生物打印。
第（一階段，只能利用3D打印做一些結(jié)構(gòu)，但它們的功能性也不強(qiáng)；
第二階段，我們將有比較成熟的技術(shù)，利用3D打印做非細(xì)胞級(jí)別且具有一定功能的材料，比如各種骨和支架；
第三階段，真正的生物打印讓我們?cè)诩?xì)胞級(jí)別進(jìn)行“打印”。
 當(dāng)然，這里的打印不單指打印細(xì)胞，而是打印一個(gè)讓細(xì)胞可以成長(zhǎng)的骨架，給細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)讓細(xì)胞們按照骨架長(zhǎng)成我們想要的樣子。要到達(dá)這一目標(biāo)，“生物墨水”的研發(fā)就顯得至關(guān)重要。不妨關(guān)注默克的3D生物打印材料，了解更多生物墨水的發(fā)展進(jìn)程。



為了讓您更能理解3D生物打印，我們特別為您開設(shè)了課程“默克化學(xué)2.0系列講座(四)：3D生物打印知多少？”。

默克致力于推動(dòng)人類健康事業(yè)的發(fā)展，旗下Sigma-Aldrich®品牌立足為新藥研發(fā)的不同階段提供完善的解決方案，其中包括：
1.藥物發(fā)現(xiàn)階段Protac®、DEL技術(shù)，逆合成Synthia™軟件，光催化及催化劑HTS平臺(tái)搭建；
2.藥物遞送階段：聚合物給藥技術(shù)，微流控制備技術(shù)；
3.工藝開發(fā)階段：大包裝化合物定制服務(wù)等。