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現在,你的下頜骨也可以打印出來了——而且真的能用!

果殼網2020-10-21 12:17:50

從世界上第一臺商用3D打印機的誕生到現在已經過了30年,隨著技術的進步,3D打印機也和人們的生活聯系越來越緊密。早期的3D打印機只能夠利用塑料作為“墨水”打印零件。而現在,“墨水”的材料早就被大大地擴展了——金屬、陶瓷、甚至細胞都可以被注入“墨盒”進行操作......

等...等等!
是不是有什么奇怪的東西混了進來?

3D生物打印機:用細胞當“墨水”


雖然聽起來有些聳人聽聞,但利用生物細胞進行打印算是3D打印機的奇妙用途之一,也是這個領域中相當有趣的一個分支。再生科學領域的科學家們一直孜孜不倦地嘗試利用這一技術創造可供移植的組織乃至器官。


3D生物打印機以生物細胞為主要打印材料。圖片來源:Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

這個新興領域時常有好消息傳來。2014年,人們成功“打印”出軟骨組織;2015年,人們成功“打印”出供醫學研究用的腎臟組織。然而,囿于規模、結構和細胞存活時間方面的限制,大部分這樣的打印產物只存在于實驗室中,而未能真正作為可用的器官進行移植。

不過,在《自然-生物技術》雜志發表的論文中,維克森林大學安東尼·阿塔拉(Anthony Atala)課題組宣布,他們把3D打印出的組織移植到生物體內,并且證明了這些從打印機里誕生的組織能夠像正常組織一樣存活并生長。


阿塔拉團隊用“整合組織-器官打印系統”(Integrated Tissue-Organ Printing System,ITOP)打印的下頜骨(左)和耳廓(右)。圖片來源:Wake Forest Institute for Regenerative Medicine


要穩、要大,要能長血管


在設計好模型圖紙并開始3D打印之后,細胞會像普通3D打印中的塑料一樣,一層一層地“壘”出設定好的形狀。但這里面有個問題:細胞可沒有塑料那么聽話,把它們堆起來不加約束的話,細胞可是會散開的。在生物打印過程中,一種叫做聚己內酯的化合物是解決這一問題關鍵。它可以發揮支架的作用,承載細胞維持器官或組織的形狀。而在數年過后,它會被生物降解,不產生毒性。


細胞附著在聚已內酯上被打印出來。圖片來源:Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

而器官或組織打印需要面臨的另一個問題,在于如何在這些組織的內部設計“空腔”——聚己內酯固然可以使得細胞有序地堆疊在一起,但如果沒有內部的空腔,這些細胞便活不了多久。

在正常組織中,血管會交織在器官內部輸送養分??稍S多打印出來的組織缺乏血管,移植后難以存活到能與移植受體“融為一體”。研究者意識到,如果希望3D打印出來的組織能夠長久的存活,留出供血管穿過的空間是極為重要的。

阿塔拉小組的成員利用水凝膠解決了這一問題——這些水凝膠結構能夠以固體的形態作為支架的作用,當細胞形成穩定的結構后,它們就會被降解代謝。這樣,原先它們存在的位置,就成了可供血管伸展和發育的“空腔”。利用這一思路,原本因營養物質輸送問題而受限的打印組織大小問題也得以克服了。

解決了這些問題,阿塔拉小組也就完成了“生物專用”打印機的設計。所需的“墨盒”中填充的“墨水”是細胞、水凝膠和聚己內酯,而正常的打印過程中,這些“墨水”會堆疊成相應組織的樣子。


阿塔拉團隊“細胞打印機”的工作模式。四個墨盒中容許填充兩種細胞、聚己內酯支架和水凝膠。在打印出的成品中,細胞附著于聚己內酯支架生長,而水凝膠會充填在細胞與細胞之間。在水凝膠代謝完成之后,細胞與細胞之間留下空洞,可供血管發育。
那么,這樣的系統好不好用呢?
從骨頭到肌肉,移植了都能長


就像程序員的“Hello World”一樣,測試一個東西的可靠性一般要從簡單的東西開始。這一打印機的首個“作品”是維克森林大學再生醫學研究院的縮首字母縮寫“WFIRM”,在這個作品中,細胞“墨水”是被綠色和紅色熒光蛋白標記的細胞。在實驗中,研究人員成功得到了相應形狀的字母,而這樣輸出的細胞能夠在體外正常生長。這意味著,所有的“材料”都是可用的。


用細胞和水凝膠打印的二維圖像。

后續的研究表明,無論是2D還是3D結構,打印出來的部件在體外都能夠正常運作。那么,體內呢?利用相同的技術,研究人員利用人羊水干細胞打印出一塊圓形的下頜骨,并將它放在裸鼠體內。在五個月后,他們發現,這些人造骨內部形成了和正常骨組織一樣的導管結構,證明它具備在體內存活生長的能力。在另一個類似的實驗中,他們利用兔軟骨細胞打印出了人耳的輪廓,這樣的組織置于體內同樣能夠順利生長。


打印的骨組織在移植當天(左)和移植五個月后(右)

能夠維持固定的形狀,并且能在體內進一步成熟。這是一個好的開始。不過,組織或者器官可不是簡單的形狀,它們必須還有類似的功能。再往后,阿塔拉研究組利用同樣的技術打印了小鼠的肌纖維,并將之移植到小鼠體內。兩周后,研究人員發現,這些肌肉在形成完好的肌纖維結構的同時,也具備了相應的神經受體。這些受體能夠響應電刺激,并肌纖維發揮功能??梢?,這些人造組織不但好看,也是好用的。

對于再生醫學來說,能夠使用3D打印產品進行治療是不折不扣的好消息。利用來自受體的細胞培育的組織不具有排異性,3D打印的成本也并不太高。雖然這一技術仍未開始人體試驗,但從目前的研究成果來說,這無疑是未來一段時間內最值得期待的技術之一。

(編輯:Calo)


一個AI

打印一塊骨頭價值不菲,肝臟腎臟之類的復雜器官更加遙遠,所以,幻想打印個自己好整天摸魚的天才們……想想就得了。



科學人
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