3D打印器官新突破(3D打印器官会不会像克隆技术那样不可取？)

3D打印器官新突破

2016年03月14日讯 美国科学家研发出了一款可以打印大尺寸“活”组织的3D打印机，这些组织移植到老鼠身上后能够长时间地存活，并逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出真正的组织乃至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。

1986年，美国人查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明了3D打印技术。在随后的30年间，尤其是进入二十一世纪以来，随着材料科学、计算机技术等诸多领域的进展，3D打印技术取得了长足的进步。如今，你能在网上下载到各式各样的3D模型文件，用3D打印机为自己打印一个小摆件。但3D打印技术的应用远远不止局限在给人们的生活增添一抹亮色上：设计师可以用3D打印机把自己设计的作品的模型打印出来，让客户有更加直观的体验；在工业生产上，有越来越多的零部件的生产正在使用着3D打印技术，比如，空中客车公司就宣称其生产的A350 XWB机型的飞机有超过1000种零部件是用3D打印技术生产的；科学家和医生能够用3D打印机根据病人的体貌特征，“定制级”地打印出各类植入物，为病人做移植手术。

在3D打印技术方面，美国科学家最近在生物医学领域又有了新的突破。在2月15日提前在线发表在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上的一篇论文中，美国维克森林大学（Wake Forest University）再生医学研究所的科学家报告了他们研发出的一款3D生物打印机。使用这种“集成型组织-器官打印机”（Integrated Tissue-Organ Printer），研究人员成功地打印出了大尺寸的“活”的组织，包括一个外耳形状的软骨、下颚骨、头盖骨以及肌肉组织。把这些组织移植到老鼠身上后，这些组织都能够长时间地存活下来，并且逐渐“融入”到了周围的组织里。这项新的突破使科学家距离3D打印出组织甚至器官，并将其用于临床治疗又近了一步。

生物打印的困境

3D生物打印机和常规的3D打印机的原理完全一样，也是根据预先设计好的打印程序把“墨水”逐层打印出来，最终得到需要打印的物体。与常规的3D打印机之间的区别在“墨水”上：3D生物打印机的“墨水”通常都是各类生物材料或者具有生物相容性的人工合成材料。根据不同的打印目的，在打印时这些材料中有时还会包含有活的细胞。这些生物或者人工合成材料的作用有的是为细胞提供一定程度的保护、促进它们的生长，其它一些材料则是扮演“骨骼”的角色，把打印出的组织“撑”起来，防止其“坍塌”。由于打印时需要保证不破坏这些生物材料和细胞的生物学活性，所以3D生物打印机对打印条件的要求更为苛刻（比如打印温度不能过高，打印时间要尽量短等等）。

“集成型组织-器官打印机”并不是科研人员研发出的第一款3D生物打印机。科学家一直以来都在致力于使用生物材料和细胞作为“墨水”打印出组织甚至器官。如果能够打印出组织或者器官，科学家不仅能够使用它们对各种疾病进行研究，而且还能把它们用于检测新研发的药物的疗效和毒副作用，甚至还能将这些组织和器官移植到病人的体内，减轻病人的痛苦、挽救病人的生命。

遗憾的是，长期以来，这些尝试都面临着很大的困难。由于不同“墨水”的化学和物理特性各不相同，不同原理的3D生物打印机（现有的3D生物打印机“喷洒”“墨水”的原理不止一种，比如有的类似于普通的喷墨打印机，有的“喷洒”“墨水”的方式更像挤牙膏）也有各自的优缺点，此前的3D生物打印机要么打印出的组织厚度有限，要么难于打印出外形复杂的组织。

另一方面，打印出的组织要长期“存活”，其中的细胞必须要源源不断地获取营养物质和氧气。由于打印出的组织中没有血管，所以组织深处的细胞要获取这两类物质只能依赖于它们自己扩散到细胞所在的位置。科学研究发现，在3D打印出的组织中，营养物质和氧气的扩散极限只有100-200微米（0.1-0.2毫米），这个限制使此前打印出的组织通常尺度都极其微小，多数都停留在毫米级，很多甚至不足1毫米。

“完美配方”和 两套“骨骼”

在这项新的研究中，科学家通过两种策略解决了这些难题。

首先，他们同时选取了多种生物材料来为细胞提供保护，支持细胞的生长。在打印前，这些生物材料和细胞会被混合到一起，形成一种复合水凝胶（hydrogel），作为打印时的一种“墨水”。经过不断的尝试，科学家为这种“鸡尾酒”中不同成分的比例找到了一种恰到好处的配方。这种配方的“墨水”无论是在均匀性、黏稠度、细胞在其中的存活率还是为打印机提供的分辨率上都非常得令人满意（根据需要打印的组织的种类，科学家优化出了各不相同的配方）。

在三维结构上，科学家为打印的组织制备了两套“骨骼”。

在打印的组织的内部，科学家使用一种合成材料为打印的组织提供支撑。在打印时，先用这种材料打印出一层一层外观类似纱窗的支撑网，随后再把含有细胞的复合水凝胶打印到支撑网的网眼里（实际上，根据所打印的组织的种类，这项研究采取了两种不同的“内骨骼”排布策略，这只是其中的一种）。这种策略为打印出的组织提供了强大的“内骨骼”。

为了进一步给组织提供支撑，科学家还使用另一种合成材料在整个组织的外周打印了一套“外骨骼”，防止组织在打印时发生大尺度层面上的“坍塌”。这套“外骨骼”更像是腿骨骨折病人的一根拐杖。和病人痊愈后就不再需要拐杖帮助站立一样，这个“外骨骼”只是在打印过程中和打印完成后的一段时间里为组织提供支撑。在打印完成并用特定的方式进一步“加固”组织之后，科学家会用液体把这些“外骨骼”洗掉，让打印的组织完全靠自己“站起来”。

这个“完美配方”和两套“骨骼”的策略不仅为组织提供了充分的支撑，而且还为组织深处的细胞打开了一扇大门，让它们能够获取到营养物质和氧气。由于“内骨骼”网眼大小恰当，在把含有细胞的水凝胶打印到网眼里之后，网眼里仍然剩有一些空间，每一层的这些空间相互连通，就形成了一个个微管道（microchannel）与组织表面连通，为营养物质和氧气扩散进入组织深处提供了通道。

扫描，装“墨”，打印

解决了支撑和供养这两个难题，打印就变得不那么复杂了。以外耳软骨为例，科学家首先使用CT或者核磁共振对人耳进行扫描，然后使用计算机软件设计出了一个外耳的3D模型，并且为打印机的每个喷口（打印机有不止一个喷口）选定了在每一层中进行喷“墨”的位置和喷口的移动路径。

在打印的时候，科学家把包含有细胞的水凝胶（打印耳朵时使用的是软骨细胞）和两种“骨骼”的“墨水”分别装入不同的注射器中，利用气压控制装置，计算机会在预先选定的喷“墨”位置加大注射器中的气压，把“墨水”挤压出来。当整个打印过程结束以后，通过特定的化学反应，科学家还会让水凝胶中的某些分子之间发生交联反应，让这些分子和自己周边的同伴“手拉手”，形成又一个支撑网络。交联反应形成的网络和“内骨骼”这时已经足以为组织提供其所需要的支撑，“外骨骼”也就不再需要，可以洗掉了。你所看到的也不再是一个方方正正，外观像泡沫的物体，而是一个外形逼真的外耳形状的软骨组织。

除了这块外耳形状的软骨，科学家还用这台打印机打印出了一块人的下颚骨、一块大鼠的颅盖骨和一小块小鼠的肌肉组织。除了肌肉组织的尺寸较小以外，外耳、下颚骨和颅盖骨的尺寸都很大。比如，外耳的尺度达到了3.2cm×1.6cm×0.9cm，和真人耳朵的尺寸相当，在大小上足以用于整形手术。

组织能长期存活

3D生物打印追求的绝不只是外观上的逼真。打印出的组织还必须能够长期存活，否则根本无法被应用于整形手术和再生医学领域。

科学家进一步的研究发现，使用这台打印机打印出的这四种组织在体外的培养条件下都能存活很长的时间，比如，打印出的下颚骨在培养液中培养一个月之后仍然处于存活状态，其中的细胞也在进行正常的分裂生长。

更让人兴奋的结果来自移植实验。当把打印的颅盖骨移植到大鼠上5个月之后，这块组织不仅没有坏死，而且整块颅盖骨，包括颅盖骨的深处都长出了血管，这使大鼠的机体能够通过血管为其中的细胞提供营养物质和氧气。而外耳软骨在移植到小鼠上1-2个月之后，不仅形状保持得很好，而且还有一定程度的生长，软骨较外层的区域也长出了一些血管。生物机械性能的分析（比如拉伸、弯曲）发现，这块软骨的各项指标都比移植前有了大幅度的提高，有的指标甚至已经达到了天然耳朵的水平。科学家还把打印出的肌肉组织移植到了小鼠体内，并把一根切断的神经纤维包埋在这块肌肉组织里。两周之后，小鼠再生的神经纤维就已经能够支配控制这块肌肉组织了。各项分析还显示，这块组织的特性已经达到了自然状态下处于发育中（但尚未发育完全）的肌肉组织的水平。

所有这些结果都表明，这个集成型组织-器官打印系统所打印出的组织不仅能够在体外长期存活，而且在移植到动物体内之后能够逐渐地“融入”到动物的机体中去，这无疑使科学家向3D打印组织未来可能的临床应用又迈进了一步。

当之无愧的领跑者

这台打印机研发团队的领导者是美国维克森林大学医学院再生医学研究所的安东尼·阿塔拉（Anthony Atala）博士。他领导的团队一直以来都是全球3D生物打印、组织工程和再生医学领域的领跑者。他本人正在申请或者已经持有的相关领域的专利数量甚至超过了200项。由于其卓越的学术成就，他和他的团队获得了很多医学领域奖项的肯定。大众媒体对他和他团队的工作也保持着高度的关注，美国的《时代》周刊就曾不止一次把他们的研究进展列入其盘点的年度医学突破榜单里。

阿塔拉同时还担任该研究所的所长。在他的领导下，这个研究所一直是全世界这些领域的领袖级研究机构之一。这一点从美国军方对其研究的大力支持就能看得出来：美国军方的再生医学研究所一直都在为其提供资金支持，其中2013/2014年度开始的第二期资助项目的资金总额达到了7500万美元。

在过去的二十年间，这个研究所在再生医学等领域创下了很多全球第一，其中有的已经在临床上取得了应用：1999年，第一次在实验室制造出了人工膀胱，并成功地移植到病人体内；2003年，制造出了第一颗能够分泌尿液的迷你肾脏；2004年，第一次制造出了人工输尿管，并成功地移植到病人体内；2011年，制造出了第一块人工肛门括约肌，并在动物实验上取得了成功……所有这些卓越的成就都让人对这个研究所未来的科研进展充满期待。

离终点有多远？

虽然这款集成型组织-器官打印机必将会对3D生物打印技术未来的发展起到很大的推动作用，但是距离真正打印出组织和器官并将其应用于临床治疗上，科学家还有很长的路要走。

其中一个最大的困难是很多组织和器官都非常复杂，其所含有的细胞种类也很多，而且很多时候这些细胞并不是按种类分层或是成簇分布在一起的。要想打印出这些组织或者器官，对打印机的分辨率要求非常高，现有的打印机无法达到这样的水平，短期内恐怕也很难设计制造出具有这样分辨率的打印机。其它一些需要解决的问题还包括需要找到更多能够用作“墨水”的生物材料（目前被用作打印“墨水”的材料种类数量很有限），大尺寸的组织或器官的整体性（不坍塌、不出现严重的变形）以及植入体内后血管生长等方面的问题也都还有待进一步的研究。这仍将是一条漫漫长路。

在2009年进行的一个演讲中，Atala使用了这样的一段话作为结束语，“归根结底，再生医学只有一个目标。这个目标非常简单，那就是让我们的病人变得更加健康。”有这样的一个目标在激励着全世界的医学研究者们，无论是在3D生物打印还是再生医学的其它领域，相信我们离这条漫长道路的终点将会越来越近。

3D打印器官会不会像克隆技术那样不可取？

我们知道现在有很多的科学技术在不断的推进研发，而且还利用在我们生活中，这样不仅给我们的生活带来了便利的，同时也让我们未来的发展有了更好的一种选择。就拿这些年来最火的一种科学技术，就是3d打印技术。这种技术得到推广以后，很多国家的科学家们一直在不断的进行研发和拓展。而其中拓展的第1个项目就是医学器官，而山地打印技术，它却不会像克隆那样变得不可取这其中的原因。

一、它不会改变人类的基因序列。首先第1点就是克隆技术，它是根据人的一个创造力想象然后来进行创作，但是它从本质上还是一种复制行为。而且的它和克隆不一样的是它不会改变人们的一个基因序列，因为每个人的基因序列代表这一个人它内部的一个独特排序，而且这种是跟随一个人一辈子，每一个人只能拥有一套基因序列。但是3d打印技术造的器官是不会改变这种基因序列排序。

二、3d技术不会违背生命的原则。其实3d技术打造出来的东西，它只是一样物品而已，不会像克隆那样它会违背大自然的一个生命准则，毕竟这样的生命准则是大自然制定的，而人类也只能去遵守，但3d技术它打印的出来的东西就是一件物品而已。这样的方法是不会违背生命准则，所以说现在3d技术能够如此的推崇的原因也在这里。

三、可以很好的替代现在人们对于器官的需要。那最后一方面就是现在人们由于长时间的一个工作压力和各方各面的因素，导致身体上患有疾病而身体技术打印的一个功能，可以很好的帮助人们缓解更换器官供给不足的情况。

3D打印机可以应用于医疗吗？

医疗领域，3D打印所具有的技术优势，正领域量身定做的要求，提供了有效的技术补充。

牙齿矫治

一般口腔正畸时，患者咬掉用快速定型胶制作的基础牙模，并经过专业医生不断调整牙模角度、方向及偏差。费时费力，影响矫治速度，延长了患者就医时间。

目前，利用3D打印技术对患者进行口腔扫描仪扫描并生成三维数字化模型送至纵维立方光固化3D打印机打印，可快速获得高精度牙模。3D打印可直接佩戴正畸牙套，提高就诊效率，改善口腔咬合的就医体验。相对于传统的牙科矫治器，3D打印透明矫治器不仅隐形美观，而且尺寸更适合病人在矫治过程中的每个阶段。

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假肢矫形器

普通石膏模型，是根据患者肢体特征，用石膏绷带对患者肢体进行包覆和取模，使其凝固成模腔，再用石膏浆灌入模腔翻模，最后得到与患者肢体部位大小相等的残肢模型。?

值得注意的是，此种残肢模型并不能直接应用，还需要专业的假肢技术人员通过复杂的技术手段来完成，最终制作出符合病人穿着需求的假肢或假肢矫形器。

3D打印技术可以节省大量的人力、物力和时间。采用3D打印快速成型的假肢矫形器更符合病人的肢体结构，提高使用者的舒适度。同时，3D打印的假肢矫形器制造成本低，大大减轻了用户的经济负担。

器官模型

肾是人体非常重要的器官，3D打印模型可以根据病人的真实成像数据，在打印过程中模仿各种组织特征。

光固化3D打印机可打印出全彩的逼真的3D打印器官模型，以帮助识别和避免因复杂或高体积肿瘤引起的周围动脉及血管损伤，从而帮助制定更精确的手术计划。

另外，光固化3D打印机制作的3D打印模型还可以用来向病人解释病情，提前规划复杂的手术流程，减少手术时间及相关的费用和风险。

该技术可直接从计算机中导入数据，生成任意形状的样品，避免了开发过程中某些复杂结构零件的人工、物力的消耗，缩短了产品定制周期，节省了人力、物力和时间，具有制造成本低、研发周期短、生产效率高等优点。

看3D打印在这四大领域都有哪些新突破

3D打印被用作《经济学人》杂志封面，主题为《看制造业新技术如何改变世界》，详细介绍了3D打印的历史和发展，可见人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注。回顾2011年，3D打印市场并购整合成为主流，业内主流3D打印公司完成了大规模收购，建立未来3D打印全方位服务平台，以拓展更广的用户与合作伙伴群及联合研发更多适合市场推广的产品。
而3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，3D打印正让“天马行空”转变为“脚踏实地”的可能，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯、巧克力、小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机。3D打印行业的发展犹如其定义本身，始终凸显着“创新突破”这一关键特质。
创新突破1：3D打印应用领域扩展延伸
3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟；哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备；另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。【而在3D打印材料方面，Objet 公司相继推出新型生物相容性3D 打印材料以用于医疗和牙科解决方案。】
随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。
【以影视传媒为例，在2011年11月，由史蒂文·斯皮尔伯格监制、休·杰克曼主演的动作励志影片《铁甲钢拳》，围绕未来世界的机器人拳击比赛，讲述了一个饱含梦想与亲情的励志故事，其中的父子情是影片大受欢迎的一大卖点。为了让片中的主角——机器人看起来更逼真，Legacy Effects特效公司使用Objet公司的3D打印机制作了1:5大小的模型。在完成建模、手绘、抛光和审核后，全尺寸的机器人“亚当”、“吵闹小子”和“奇袭”相继制作完成，高精度的3D打印制作呈现出了活灵活现的主角们。通过动作捕捉技术与实际大小仿真机器人模型的完美结合，则生动演绎了热血澎湃的机器人打斗画面，为影片加分不少。】
【除此之外，Legacy Effects公司还与Objet携手制作了好莱坞巨制《侏罗纪公园3》、《钢铁侠2》、《阿凡达》及动画片《鬼妈妈》中的各尺寸模型。】
创新突破2：3D打印速度、尺寸及技术日新月异
在速度突破上，2011年，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒。在体积突破上，3D打印机体积为适合不同行业的需求，也呈现“轻盈”和“大尺寸”的多样化选择。目前已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战“轻盈”极限，为未来进入家庭奠定基础。
在Vienna University of Technology的一个研究项目中，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭。 在“大尺寸”领域，在德国的3D打印公司发布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机，该款大尺寸3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能。
3D打印技术日新月异，在2011年Lexus对外发布了新3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印， 能够以编织的方式制作复杂的3D模型。
利用3D打印技术改善艺术及生活的例子屡见不鲜。例如荷兰时尚设计师Iris van Herpen 展示了它的服装设计作品，这些服装作品全部使用3D打印机一次成型。通过3D打印技术制造的服装，突破了传统服装剪裁的限制，帮助设计师完整地展现其灵感。而在Cornell大学的一个项目中，研究团队制造了一台3D打印机用于打印食物，展现了烹调的独特方式。其优势在于能够精确控制食物内部材料分布和结构，将原本需要经验和技术的精细烹调转换为电子屏幕前的简单设计。
创新突破3：设计平台革新
基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB的3D设计平台——3D Tin，另外，微软、谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。

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