3D打印，见证医学科技的发展

　　3D打印又叫累积制造技术，是一种利用计算机的数字模型为基础，使用粉末状金属或塑料或者其他可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。传统的打印是将油墨打印在纸上，只有二维。3D打印就是一层层地将粘合材料累积上去，打印机根据计算机做好的模型，将材料堆积成立体的产品。与传统的机械制造主要通过削除材料完成产品的方式不同，3D打印可以简单地做成以前很多不太可能或者复杂无比的产品。

　　最早的3D打印出现在1980年代，但是直到2010年代3D打印机才开始广泛出现。据统计，2013年3D打印机市场销售总额增长了109%，达到7.11亿美元。2014年3D打印市场规模达到38亿美元，预计到2018年将增长四倍，达到162亿美元。3D技术现在已经广泛用于建筑、制造、工业设计、汽车制造、航天事业、军事和医学等领域。

　　3D打印机可以打印出巧克力、鞋子、飞机模型等物体，这听起来非常有趣，且充满神秘感。不过，有很多科学家正在从事着一项枯燥但却对人类有着重大意义的3D打印技术研究：他们通过打印人体器官来挽救人类生命，来改变人的生活。近年来，3D打印已经在医学应用上发展迅猛，可以说打开了一扇全新的大门。

　　治病救人的一张“王牌”

　　2012年，美国俄亥俄州。刚生下来6周的小男孩凯巴开始出现呼吸困难，拒绝进食。两个月的时候，小凯巴的症状越来越糟糕，已经无法自主呼吸了，医生必须给他插上气管插管维持呼吸。

　　检查发现，小男孩患上了极端罕见的先天性支气管软化症，气管自行塌陷，无法自主呼吸，必须依赖气管插管生活。无奈之下，父母四处求医。最后被介绍到了密西根大学医学院。该医院的医生和研究人员一再商讨之后，搬出了救命的仪器：3D打印机。他们根据CT的3D成像，使用3D打印机用生物塑料材料打印了近百个气管支架。在得到美国食品药物管理局（FDA）的紧急批准之后，给小凯巴移植了这个3D打印出来的气管支架。手术后，小凯巴开始了自主呼吸，7天后撤离呼吸机。数周后，小凯巴出院，再也没有出现过窒息危险。这个气管支架用可以降解的材料做成，3年后即会自行吸收，到那时，他的气管也会发育成熟，不再需要支架了。

　　这是世界第一例3D打印的气管用于临床。

　　3D人体器官打印

　　在3D打印医学领域，欧美领先全球。2011年，北卡的再生医学研究所的一名博士展示了他们使用3D打印机打印出来的人体肾脏。他们使用培养出来的肾脏细胞作为打印材料，一层层将细胞打印在提前设计好的虚拟模型上。第一层是细胞，第二层是水凝胶用来粘合固定细胞。然后一层层重复，直到整个肾脏打印出来。等到细胞存活了，水凝胶被降解，留下来的只有细胞。这样细胞就形成一个完整器官结架。这个初期的肾脏再被移到培养器中，提供养分，促进生长。该实验已经观察到这个初期肾脏模型产生了尿样物质，表示已经有了部分肾脏功能。这样的新闻让人惊叹，虽然看似遥远，但其实3D打印已经较为广泛应用了。

　　比如打印假牙，或者完美吻合的牙套。2012年，日本的Fasotec公司开始提供腹中的胎儿的3D打印模型，可以让父母提前看到真实的孩子形象。华盛顿地区医院使用3D打印机打印出患者的心脏模型，提供给心脏外科医生术前实践练习。还有更多神奇的应用出现在医院里。2011年，荷兰一位83岁的女性因为感染失去了下颌骨，而传统整形手术因为年事太高不能进行。医生们与3D打印公司合作，用钛粉作为打印材料，根据3D扫描的图像，打印出一个完美的下颌骨。表面覆盖生物陶瓷以避免排斥，移植到老人的下巴后，完美愈合。

　　事实上，很早以前，研究人员就已经在实验室里培植人体器官，但是直到20世纪90年代，“生物打印”才突然引起人们的关注。这一切得感谢威克弗里斯特再生医学研究院的科学家，他们3D打印出来了人造膀胱。在21世纪初，克莱姆森大学生物工程师托马斯·博兰开始利用喷墨打印机来分离生物“墨水”，并最终打印出3D物体。

　　2007年，第一家生物打印公司Organovo成立。这家公司打印的肝脏组织样本用于药物测试和研究。该公司希望能够在不远的将来开发出一种能够正常使用的肝脏。

　　3D人体器官存活的原理

　　尽管3D人体器官打印和塑料雕像打印之间存在很大差异，但是它们的打印过程是极为相似：两种打印机都包括了一个墨盒和喷头，它们可以喷出“墨水”（生物墨），并且是逐层喷墨。不过，两者之间又存在明显的不同。

　　我们都知道大多数器官的样子，但是想要打印出适合单个个体的器官，科学家需要对病人进行CT扫描。然后，他们需要通过计算机软件来分析结果，并制出一张“蓝图”，这张蓝图需要对细胞在每层组织中的位置做详细说明。

　　生物打印机使用的并非是PVC塑料或者金属，而是人体细胞以及粘合剂（粘合剂是用来将所有组织和细胞结合在一起）。除了使用真正的细胞之外，生物打印机也可以使用干细胞，生物工程材料和其他人体不会排斥的替代物质。比如，2013年，美国一男子头部移植了3D打印的塑料头骨。

　　一旦样本打印出来后，需要将其放到培养器中，以便细胞能够“融合”，彼此之间能够和谐相处，如同真的器官一样。最后一点也是当今3D人体器官打印面临的真正难题，它也是目前这项技术无法在全球推广的原因。

　　3D人体器官打印的难题

　　威克弗里斯特再生医学研究院主管安东尼·阿塔拉表示，3D打印器官是一个非常复杂的问题，其中最主要的难题就是寻找到可以用来构成人体组织的“材料”，然后让其能够在体外生长。此外，我们还无法将3D打印器官放置人体后，使其能够长时间紧紧粘合在一起。人体真正的器官是非常复杂的，打印出来的细胞尽管能够融合在一起，但并不意味着它们就能够发挥功效。康奈尔大学生物工程师胡迪·利普森指出，目前还没哪一种软件强大到可以建立非常详细的器官模型，供研究人员打印3D器官前做参考。

　　此外，科学家发现，血管的搭建也不是一件简单的事情。器官需要动脉，静脉以及毛细血管来促使血液循环和体内营养的传输。但是，血管都非常的长、且非常细微，呈管状，这样就大大增加了打印的难度。不过，即便如此，仍有研究人员对此进行过尝试：2014年5月，布里格姆妇科研究人员使用了一种分子琼脂糖作为血管模板。

　　改变人类生活的高端科技

　　到目前为止，在3D打印器官方面，也出现了很多“半成功”案例。之所以说“半成功”，是因为它们大多数都无法正常工作，或者仅仅只能存活几天时间。比如，Organovo就打印出了一种能够正常使用的微型人体肝脏，但是它仅仅存活了40天时间。路易斯维尔大学研究人员在2014年4月成功打印出了心脏瓣膜和小静脉，他们希望在未来能够使用病人的细胞打印出一颗可以正常跳动的心脏。

　　未来，台式扫描仪在扫描和评估病人伤口后，就可以直接在病人伤口处打印人体组织。但是在这之前，我们需要将生物打印器官和组织先放到实验室进行培育，通过参考准确无误的样本，将其移植到病人身上。

　　3D打印不仅能打印器官，有朝一日也可以提高或者加强人类的能力，普林斯顿大学的研究人员正在朝这个方向努力。他们将电子元件结合到细胞打印中去，成功地使用水凝胶和小牛的细胞打印出一个人类的耳朵，在这个耳朵中，加入了由银纳米颗粒做成的电子天线。这个传感器可以接收人类耳朵听不见的频率。也许有一天，我们就可以装上这个耳朵，成了传说中的顺风耳。

　　这些我们实际经历的医学生物学的进步，有朝一日将会彻底改变人类的生活。到那时，也许换个器官就如同换个汽车零件一样容易。

　　王金武