目前，全国器官移植候补名单上有超过113,000人。由于捐献者短缺，据美国卫生部称，这意味着每天约有20人在等待器官期间死亡。
目前，器官打印面临两大障碍。活细胞和有功能的器官需要特定的温度和化学条件才能存活，因此大型器官在实际3D打印过程中，由于耗时过长，细胞会逐渐退化。即使器官可以通过3D打印制成，运输过程也需要储存，而储存一直是器官移植的瓶颈。
克服这些障碍
为尽量减少器官3D打印过程中的细胞死亡，研究人员开发了一种采用并行化的技术，让多台打印机同时制作组织的二维层。随后，这些二维层逐层堆叠，形成三维结构。
为解决这些制造出的器官的储存问题，团队借鉴了七十年来保存单个细胞的知识和技术。他们的技术会在每个二维层并入三维结构后立即将其冷冻；冷冻单层细胞的过程能为细胞经受冷冻、储存和运输提供最佳条件。
“目前，生物打印主要用于制造少量组织。3D生物打印的问题在于速度非常慢，因此无法打印大型物体，因为等打印完成时，生物材料就会退化。我们的一项创新是在打印材料的同时将其冷冻，从而保存生物材料，并控制冷冻速度，”论文共同作者、加州大学伯克利分校机械工程学教授鲍里斯·鲁宾斯基说。
鲁宾斯基还指出，团队先以二维方式打印组织，再在另一工位将其组装成三维物体，实质上消除了打印等待时间，大幅加快了生产。生物打印机流水线并行制作多个组织二维层后，机械臂会拾起这些层并将其送到另一工位。在那里，各层组织被堆叠在一起，形成三维物体，研究人员再通过冷冻将其融合。
“每层堆叠起来形成三维结构时，我们采用的一项创新是将三维结构浸入低温浴中进行冷冻，而不是让浴液上升来接触每一层，”论文共同作者约瑟夫·萨洪说。“这种方法让我们能够更准确地控制冷冻速度。”
打印食物？
除了器官，这项技术的另一种潜在应用是食品。逐层打印和组装让制造商能够探索不同的食物质地，也能开发出满足病患需求的食品。
“吞咽困难在老年人群中非常常见。这些患者吞咽不易，因此吃的基本上都是糊状食物，导致他们没有食欲，问题也会加重，”鲁宾斯基说。“但如果能制作出有质感的食物，可能会更可口。这样，他们咀嚼时，食物会在口中融化，使他们能够吞咽并摄取营养。我们的技术可以用来制作任何种类的食物。”
他指出，这项技术还可用于开发工业规模的冷冻食品制造工艺，在整个产品中以单细胞层级精确控制食品中冰晶的结构。
“这很重要，因为冰晶的大小和均匀性是决定冷冻食品质量的关键因素，”鲁宾斯基说。
虽然将薄层堆叠起来制成三维物体的概念在制造业并不新鲜，但将其用于生物材料仍是一项新尝试。
“传统层压所用的材料——例如纸张、塑料、陶瓷和金属——即使很薄也具有刚性；而生物物质主要由液体构成，刚性要低得多，两者有很大区别，”鲁宾斯基实验室的研究生、论文第一作者吉迪恩·乌克派说。
因此，团队精心设计了亲水和疏水的刚性表面，并在其上打印二维层。这些经过特殊设计的层使他们能够将二维层运送一段距离，不受重力方向影响，再将其放置到三维物体上。
在后续研究中，乌克派将与新一届工程硕士生合作，进一步优化这一流程、描述产品特征，并确定最能发挥其优势的适用情境。
