未來黑科技
醫(yī)學界近年來出現(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，新技術層出不窮。

從實驗室到臨床實驗，這些黑科技的研發(fā)過程通常都歷經(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)療領域大放光彩的黑科技技術——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兒“科幻”的色彩，但近年來，3D打印技術屢見報道，關注生命科學的各位可能還看過不少類似新聞。然而，請注意：現(xiàn)在宣稱實現(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到移植的需求。這就和現(xiàn)階段利用3D技術打印出來的漢堡一樣，并不會有人拿來吃。
幾十年來，科學家們曾一度努力嘗試在實驗室里培育人造器官，其好處不言而喻：誘導病人的自體細胞進行分化，可以減少器官)移植中的排斥反應。結構相對簡單的器官，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，缺少血管始終是實驗室培育人造器官)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——器官中布滿了錯綜復雜的血管，每個細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生物打印技術讓我們距離制造“活”的器官越來越近了——從幾毫米直徑的動脈血管到納米級別的毛細血管，都可以借助3D打印進行培育。
哈佛大學的科學家們已經(jīng)找到了利用3D生物打印技術得到血管的方法。




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

近, 以色利特拉維夫大學的科學家們憑借3D生物打印技術，成功利用從病人體內提取的細胞，培育出了人造心臟。與以往不同，這個人造心臟是由人體細胞，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， 但它卻是器官打印研究中一個非常重要的里程碑，具有非常大的意義。這個科研小組下一步將研究如何“教”3D打印出的心臟正常工作，并逐步應用于動物試驗。
 
以色列特拉維夫大學用人體細胞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

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 打印的技術盡可能模仿自然組織特征的3D 細胞和構建如皮膚、血管、心臟等諸多組織/器官原型。這項黑科技有非常大的潛力來解決醫(yī)療領域的難題。3D打印的生物模型不僅可作為體外病理模型，服務于藥物篩選、病理研究、非動物實驗化妝品測試， 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，為實現(xiàn)未來“器官替換”奠定了重要基礎。
3D 生物打印過程中，關鍵的一個環(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，生長因子以及生物細胞混合的液體。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結構。而目前主要有三種平臺技術已經(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

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領域的發(fā)展大概分為三個階段：傳統(tǒng)材料，高級生物材料和真正的生物打印。
第（一階段，只能利用3D打印做一些結構，但它們的功能性也不強；
第二階段，我們將有比較成熟的技術，利用3D打印做非細胞級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在細胞級別進行“打印”。
 當然，這里的打印不單指打印細胞，而是打印一個讓細胞可以成長的骨架，給細胞提供營養(yǎng)，同時讓細胞們按照骨架長成我們想要的樣子。要到達這一目標，“生物墨水”的研發(fā)就顯得至關重要。不妨關注默克的3D生物打印材料，了解更多生物墨水的發(fā)展進程。



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

默克致力于推動人類健康事業(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，逆合成Synthia™軟件，光催化及催化劑HTS平臺搭建；
2.藥物遞送階段：聚合物給藥技術，微流控制備技術；
3.工藝開發(fā)階段：大包裝化合物定制服務等。