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(zhì)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(zhì),，它的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)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(zhì)中,。后，凝膠材質(zhì)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(nèi)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,。