3D生物打印將實現(xiàn)“易容術”

文 張璦敏 楊詩杰

用3D打印為自己造個“臉”，聽起來確實驚悚。日前，俄羅斯研究人員表示，首張人造皮膚將于2018年年底在俄羅斯正式問世。無獨有偶，美國硅谷一家公司也于近日推出了3D面部相機與3D面部打印機的“組合體”，可輕松制作出人皮面具。

帶來這一變化的是3D生物打印技術——一種以計算機三維模型為“圖紙”，裝配特制“生物墨水”，最終制造出人造器官和生物醫(yī)學產(chǎn)品的新科技手段。隨著相關技術的快速發(fā)展，3D生物打印不僅會開啟人類“易容術”，而且在經(jīng)濟生活和國防軍事等領域也有廣泛的應用前景。

揭開面紗——人造皮膚是怎樣煉成的

在醫(yī)療技術高度發(fā)達的今天，戰(zhàn)場作戰(zhàn)的士兵一旦因燒傷引起皮膚損傷，仍缺乏有效的治療方法。曾幾何時，研究人員還專門在實驗室里開展過人體組織結(jié)構(gòu)的培育工作。但從20世紀80年代日漸興起的3D生物打印技術，無疑為“人造”皮膚打開了一扇大門。

此前，西班牙研究人員曾研發(fā)出一款3D生物打印機。這種打印機可制造出足以“以假亂真”的功能性仿人類皮膚，不僅可用于相關測試研究，更可對皮膚受損患者進行修復移植。

然而，人造皮膚的制備說起來容易，做起來難。看似薄薄的一層皮膚，除了要擔當人體與外部環(huán)境的“警衛(wèi)”任務外，還要具備感覺、調(diào)溫和分泌汗液等諸多功能。要想在組織結(jié)構(gòu)形似的基礎上，進一步研制出具備組織功能、更加神似的皮膚，這無疑對生物打印技術提出了極高要求。

目前，用于制備人造皮膚的3D生物打印機，獨具匠心地設計出一種“生物墨水”，這一墨水使用的是由血漿、蛋白質(zhì)和皮膚細胞組成的獨特配方，在計算機的精確控制下，能按一定結(jié)構(gòu)有序排列并進行物質(zhì)沉積，從而制備出人造皮膚。

人造皮膚的制備離不開3D打印機的精確控制。要想將人造皮膚的各個“零件”完美裝配，必須首先對受損傷部位構(gòu)建完整的“三維地圖”。在計算機的精確控制下，把各種組分按照皮膚的“地圖”精確堆放、層層疊加，才能得到人造皮膚的基本雛形，隨后經(jīng)過一段時間的精心培養(yǎng)，人造皮膚才算是大功告成。

3D生物打印制備人造皮膚的一大優(yōu)勢就是簡便快捷。它不再需要經(jīng)歷皮膚組織切片分解、將細胞放置在實驗器皿中培養(yǎng)這些漫長過程，只需要對病人的皮膚細胞提取分析后進行短時間培養(yǎng)，經(jīng)過1～2天就可開始作業(yè)。

科技革命——生物打印絕非一日之功

隨著3D生物打印技術的日漸成熟，不久之后人們或許就可利用3D打印機開啟皮膚的流水線生產(chǎn)模式。那么，3D生物打印技術背后又有哪些不為人知的精彩呢？

3D生物打印不同于“呆板固化”的傳統(tǒng)3D打印，它的終極目標是制作“有血有肉”的生命體組織與器官。早在2009年，第一臺3D生物打印機制備成功，并被《時代周刊》評為年度50項最佳發(fā)明之一。此后，3D生物打印進入到發(fā)展成果井噴階段，美國研究人員使用復合細胞的水凝膠材料，逐層打印并構(gòu)建出類似腎臟的結(jié)構(gòu)。同時，他們還創(chuàng)建出一臺可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機，可為患者提供量身定做的器官替代品。此外，日本研究人員將人造蛋白質(zhì)材料通過3D打印制備成骨骼或軟骨，可進一步治療患有相關骨科疾病的患者。

3D生物打印的獨門絕技就在于，它用來為皮膚“搭積木”的是“生物磚”。這是一種具有仿生功能的新型干細胞培養(yǎng)體系，在現(xiàn)代醫(yī)學精確掃描和計算機快速建模技術支持下，利用計算機精確控制逐層沉積“生物墨水”，就可制備出具有仿生結(jié)構(gòu)的植入體。預計3D生物打印技術將在五年內(nèi)實現(xiàn)對功能性血管的打印，在十年內(nèi)實現(xiàn)心臟或肝臟等器官的打印，勢必會引領現(xiàn)代醫(yī)學的一場技術革命。

迄今為止制備的3D生物打印植入體，大多還只具有簡單的仿生結(jié)構(gòu)，并不能完全模擬人體重要器官的復雜結(jié)構(gòu)和功能。畢竟，要想真正實現(xiàn)復雜組織結(jié)構(gòu)的打印，涉及到龐大復雜的生物醫(yī)學領域，但它依舊為此提供了無限可能。

用3D打印為自己造個“臉”，聽起來確實驚悚，但即將成為現(xiàn)實。

暢想未來——“易容術”能否夢想成真

利用3D生物打印制備的新型人體皮膚，既模仿了皮膚的天然結(jié)構(gòu)，又能為皮膚提供足夠的機械強度和彈性。此前，美國研究人員就曾通過3D打印技術成功制備出足以以假亂真的人工假耳。這種人工耳朵不僅在外觀和功能上與真耳相差無幾，并且植入人體3個月內(nèi)還可長出軟骨，并逐漸實現(xiàn)相關功能。這項成果不禁讓人思考，3D生物打印能否讓“易容術”夢想成真？

正是看到了3D生物打印技術未來巨大的應用前景，美軍迅速開展相關技術研究。目前，美國陸軍正在對再生醫(yī)學和3D生物打印技術進行投資。美國國防部建立了武裝部隊再生醫(yī)學研究所，涉及到多所大學、軍事實驗室和相關研究人員。3D生物打印領域的排頭兵美國北卡羅來納州維克森林大學也是成員之一。他們的主要研究方向就是戰(zhàn)場受損傷的皮膚修復以及人體細胞、組織和器官的再生功能研究。

美軍前線作戰(zhàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，燒傷占到了戰(zhàn)場傷亡總數(shù)的10%～30%。尤其是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭高度機械化和信息化的大背景下，防護裝甲和信息化作戰(zhàn)大大提升了戰(zhàn)場生存率，但肢體殘缺、面部損傷和嚴重燒傷的士兵數(shù)量仍占有較高比例。借助3D生物打印技術為受傷士兵打印皮膚、修復戰(zhàn)爭創(chuàng)傷成為研究熱點。目前，美軍武裝部隊再生醫(yī)學研究所已經(jīng)利用3D生物打印技術開展器官、肢體、骨骼、肌肉和心血管系統(tǒng)的再生技術研究，并逐步實現(xiàn)了受傷部位掃描、快速建模等關鍵技術突破。

然而，3D生物打印技術真正投入應用，依舊有很長的路要走。人體是個復雜而神奇的系統(tǒng)，我們目前仍未能準確解碼細胞之間的功能傳遞。人造的3D打印器官即便在放入人體后不會遭受排斥，但如何真正與人體細胞融合，如何真正發(fā)揮出器官的功效等問題尚待研究。

3D生物打印制備的大量成果，即使不用于人體修復，也可在醫(yī)學研究、制藥、美容、機器人技術和傳感領域得到廣泛應用，或?qū)⑸羁谈淖兾覀兊纳睢Ｎ磥恚柚?D生物打印為自己量身定制一款“特殊皮膚”，實現(xiàn)“易容術”也不是沒有可能。