生物打印，即使用细胞材料进行3D打印，目前正逐步成为个性化医疗领域的下一个重大突破。在 软骨工程与再生研究组的实验室 ， 健康科学与技术系 的马蒂·凯斯蒂展示了他们最新的研究成果：一个盛有营养液的碗中，浑浊的白色软骨正在形成一个鼻子和一只微型耳朵。这位博士生使用实验室自有的生物打印机——一种用于生物材料的3D打印机——将生物聚合物与活软骨细胞混合，制成了这两种结构。这台非凡的打印机与实验室通风柜一样大，乍看之下像一台带防护罩的实验室抽排装置。系统的核心是一个装有八支注射器的转轮，每支注射器都可以装入不同的悬浮液。研究人员在可上锁的打印机外操作电脑，根据三维模型的数字数据控制注射器活塞。随后，悬浮液以极高精度从注射器喷嘴挤出，在下方平台上形成随机结构；平台以高速来回移动，采用逐层成型的方法。利用这种方法可以制作关节软骨或鼻软骨等结构，生物打印机只需16分钟便能完成鼻软骨的制作。
凯斯蒂阐述了这种方法未来可能如何改变重建外科手术：一场严重的车祸导致一名乘客的鼻子粉碎。医生可以在电脑上将其重建为3D模型。与此同时，医生会对患者进行活检，并从其自身身体（例如膝盖、手指、耳朵或粉碎的鼻子碎片）中取出软骨细胞。这些细胞在实验室中增殖后与生物聚合物混合。生物打印机利用这种牙膏状悬浮液制成鼻软骨移植物，并在手术中将其植入患者体内。在这一过程中，生物聚合物仅用作成形模具；随后，它会被人体自身的软骨细胞分解。几个月后，移植物与人体自身鼻软骨之间已无法区分。与传统植入物（例如硅胶植入物）相比，这种手术有显著优势：人体排斥植入物的风险低得多。对年轻患者而言，一个尤为关键的因素是，细胞植入物会随着患者一起生长，因为它受到患者自身生长机制的调控，正如其他身体部位一样。
生物墨水的严格要求
细胞打印如今开始进入医学领域，原因有很多：“3D打印已经存在近20年。它直到现在才开始用于外科手术，尤其是因为缺少生物墨水，”凯斯蒂研究组的负责人兼教授马西·泽诺比-王解释道。由于移植物所用材料面临极高要求，目前还没有商用细胞打印机墨盒。临床操作中使用的所有材料都受严格的国际和国家指南约束，在医院使用前还必须经过多年测试，这一过程可能耗资数百万。为此，泽诺比-王及其研究团队使用生物聚合物；这些材料已广泛用于日常医院操作，因此他们对其十分熟悉。此类生物聚合物包括从海藻中提取、易被人体耐受的海藻酸，以及由人体生成、负责软骨组织抗性的大分子硫酸软骨素。
为用于生物打印，这类生物聚合物会加入人体细胞（用于实验室研究时则加入动物细胞）并进行加工，制成含水量高达90%的水凝胶。这种生物墨水的流动性必须恰到好处，既不能让凝胶堵塞注射器套管，又必须有足够黏度，使待构建物体的结构能够保持成形。如果凝胶过于稀薄，打印时各层就会融在一起。还必须考虑凝胶化特性，因为凝胶必须形成固定形状，成为医生可以使用的固体结构。为此，需要使水凝胶发生聚合，这一过程可由光照、温度、pH值变化或添加离子来启动。“我们的操作空间非常有限，”泽诺比-王解释道，“因为我们必须时刻小心，确保细胞在打印过程中不受损伤。”因此，她将大量研究投入寻找合适的生物聚合物和聚合方式，以免损伤细胞。
第三维度指引方向
打印软骨移植物最早可能用于治疗膝关节和踝关节损伤。运动损伤的年轻患者已经接受软骨移植手术，其中患者自身的软骨细胞先在实验室中培养于水凝胶条带上。选取条带中合适的一段，再缝入受伤部位。虽然这种方法不错，但并不理想，因为实验室中的二维细胞生长缺少患者关节未来正常运作所需的关键信息。因此，细胞形成的是类似瘢痕的组织，而不是软骨组织。由于生物打印机在同一步骤中打印细胞及其支撑结构——即所谓的细胞基质——从一开始便明确了它们未来的用途。这使细胞能够保留原有特征，并在患者体内生成新的软骨。
最早使用生物打印机制作的移植物，最早今年就将在绵羊和山羊身上进行测试。在对人体开展临床试验之前，必须先进行此类大型动物测试；临床试验又将为其在医院日常使用铺平道路。“不过，未来医院是否会配备生物打印机，更多取决于医生、患者和保险机构是否接受这项技术，而不是技术本身，”泽诺比-王说。因此，她的研究团队已经与苏黎世舒尔特斯诊所的医疗专业人员密切合作。
打印机能打印心脏吗？
自2004年举办首届国际生物打印研讨会以来，这一研究领域持续发展。目前有80多个研究团队正在探索其在临床操作中的潜在应用，首批为临床试验提供“打印”细胞结构的商业供应商也已进入美国市场，并获得了可观的风险投资支持。这是否意味着，继首批打印并植入的软骨之后，心脏和肾脏很快也会问世，正如一些人所预测的那样？泽诺比-王对此并不确定：“目前生物打印受到大肆炒作，但我们的研究距离实现当下已经有人承诺的成果还很远。”与身体器官相比，制造软骨相对简单；器官必须立即获得血液和大量氧气供应。若要打印心脏、肺或肾脏，就需要打印数百条毛细血管来为器官供血；要达到所需精度并使用合适材料，恐怕在很长一段时间内都难以实现。与软骨不同，这类器官中的多种细胞必须彼此沟通，才能执行一系列不同功能。“我们的专长是软骨，它可能是最容易进行生物打印的身体组织，”泽诺比-王说，“但即便在今天，我们也知道打印软骨绝非易事。”
本文由 苏黎世联邦理工学院 合作发表。本文发表并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：塞缪尔·施莱夫利先生为《ETH News》撰稿。
图片：一尊小雕像由Aurora的F1 3D打印机打印而成。路透社/Pichi Chuang。
