文  张瑷敏  杨诗杰

　　3D生物打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。它的不同之处在于，它不是利用一层层的塑料，而是利用一层层的生物材料或者细胞构造块，去制造真正的活体组织。
　　器官移植可以拯救很多人体器官功能衰竭或损坏的患者生命，但这项技术也存在器官来源不足、排异反应难以避免等弊端。不过，随着未来“3D生物打印机”的问世，这些问题的解决有了新的技术手段。
　　
　　　　　　
　　用3D打印为自己造个“脸”，听起来确实惊悚。日前，俄罗斯研究人员表示，首张人造皮肤将于2018年年底在俄罗斯正式问世。无独有偶，美国硅谷一家公司也于近日推出了3D面部相机与3D面部打印机的“组合体”，可轻松制作出人皮面具。
　　带来这一变化的是3D生物打印技术——一种以计算机三维模型为“图纸”，装配特制“生物墨水”，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。随着相关技术的快速发展，3D生物打印不仅会开启人类“易容术”，而且在经济生活和国防军事等领域也有广泛的应用前景。
　　

揭开面纱——人造皮肤是怎样炼成的

　　在医疗技术高度发达的今天，战场作战的士兵一旦因烧伤引起皮肤损伤，仍缺乏有效的治疗方法。曾几何时，研究人员还专门在实验室里开展过人体组织结构的培育工作。但从20世纪80年代日渐兴起的3D生物打印技术，无疑为“人造”皮肤打开了一扇大门。
　　此前，西班牙研究人员曾研发出一款3D生物打印机。这种打印机可制造出足以“以假乱真”的功能性仿人类皮肤，不仅可用于相关测试研究，更可对皮肤受损患者进行修复移植。
　　然而，人造皮肤的制备说起来容易，做起来难。看似薄薄的一层皮肤，除了要担当人体与外部环境的“警卫”任务外，还要具备感觉、调温和分泌汗液等诸多功能。要想在组织结构形似的基础上，进一步研制出具备组织功能、更加神似的皮肤，这无疑对生物打印技术提出了极高要求。
　　目前，用于制备人造皮肤的3D生物打印机，独具匠心地设计出一种“生物墨水”，这一墨水使用的是由血浆、蛋白质和皮肤细胞组成的独特配方，在计算机的精确控制下，能按一定结构有序排列并进行物质沉积，从而制备出人造皮肤。
　　人造皮肤的制备离不开3D打印机的精确控制。要想将人造皮肤的各个“零件”完美装配，必须首先对受损伤部位构建完整的“三维地图”。在计算机的精确控制下，把各种组分按照皮肤的“地图”精确堆放、层层叠加，才能得到人造皮肤的基本雏形，随后经过一段时间的精心培养，人造皮肤才算是大功告成。
　　3D生物打印制备人造皮肤的一大优势就是简便快捷。它不再需要经历皮肤组织切片分解、将细胞放置在实验器皿中培养这些漫长过程，只需要对病人的皮肤细胞提取分析后进行短时间培养，经过1～2天就可开始作业。
　　

科技革命——生物打印绝非一日之功

　　随着3D生物打印技术的日渐成熟，不久之后人们或许就可利用3D打印机开启皮肤的流水线生产模式。那么，3D生物打印技术背后又有哪些不为人知的精彩呢？
　　3D生物打印不同于“呆板固化”的传统3D打印，它的终极目标是制作“有血有肉”的生命体组织与器官。早在2009年，第一台3D生物打印机制备成功，并被《时代周刊》评为年度50项最佳发明之一。此后，3D生物打印进入到发展成果井喷阶段，美国研究人员使用复合细胞的水凝胶材料，逐层打印并构建出类似肾脏的结构。同时，他们还创建出一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机，可为患者提供量身定做的器官替代品。此外，日本研究人员将人造蛋白质材料通过3D打印制备成骨骼或软骨，可进一步治疗患有相关骨科疾病的患者。
　　3D生物打印的独门绝技就在于，它用来为皮肤“搭积木”的是“生物砖”。这是一种具有仿生功能的新型干细胞培养体系，在现代医学精确扫描和计算机快速建模技术支持下，利用计算机精确控制逐层沉积“生物墨水”，就可制备出具有仿生结构的植入体。预计3D生物打印技术将在五年内实现对功能性血管的打印，在十年内实现心脏或肝脏等器官的打印，势必会引领现代医学的一场技术革命。
　　迄今为止制备的3D生物打印植入体，大多还只具有简单的仿生结构，并不能完全模拟人体重要器官的复杂结构和功能。毕竟，要想真正实现复杂组织结构的打印，涉及到庞大复杂的生物医学领域，但它依旧为此提供了无限可能。
　　

畅想未来——“易容术”能否梦想成真

　　利用3D生物打印制备的新型人体皮肤，既模仿了皮肤的天然结构，又能为皮肤提供足够的机械强度和弹性。此前，美国研究人员就曾通过3D打印技术成功制备出足以以假乱真的人工假耳。这种人工耳朵不仅在外观和功能上与真耳相差无几，并且植入人体3个月内还可长出软骨，并逐渐实现相关功能。这项成果不禁让人思考，3D生物打印能否让“易容术”梦想成真？
　　正是看到了3D生物打印技术未来巨大的应用前景，美军迅速开展相关技术研究。目前，美国陆军正在对再生医学和3D生物打印技术进行投资。美国国防部建立了武装部队再生医学研究所，涉及到多所大学、军事实验室和相关研究人员。3D生物打印领域的排头兵美国北卡罗来纳州维克森林大学也是成员之一。他们的主要研究方向就是战场受损伤的皮肤修复以及人体细胞、组织和器官的再生功能研究。
　　美军前线作战统计数据显示，烧伤占到了战场伤亡总数的10%～30%。尤其是在现代战争高度机械化和信息化的大背景下，防护装甲和信息化作战大大提升了战场生存率，但肢体残缺、面部损伤和严重烧伤的士兵数量仍占有较高比例。借助3D生物打印技术为受伤士兵打印皮肤、修复战争创伤成为研究热点。目前，美军武装部队再生医学研究所已经利用3D生物打印技术开展器官、肢体、骨骼、肌肉和心血管系统的再生技术研究，并逐步实现了受伤部位扫描、快速建模等关键技术突破。
　　然而，3D生物打印技术真正投入应用，依旧有很长的路要走。人体是个复杂而神奇的系统，我们目前仍未能准确解码细胞之间的功能传递。人造的3D打印器官即便在放入人体后不会遭受排斥，但如何真正与人体细胞融合，如何真正发挥出器官的功效等问题尚待研究。
　　3D生物打印制备的大量成果，即使不用于人体修复，也可在医学研究、制药、美容、机器人技术和传感领域得到广泛应用，或将深刻改变我们的生活。未来，借助3D生物打印为自己量身定制一款“特殊皮肤”，实现“易容术”也不是没有可能。