浙大教授發明新型生物3D打印未來有望自由製造人體“零件”

賀永實驗室用“生物墨水”打印的一朵玫瑰花。

　　凱文·凱利在1994年出版《失控》時，就已經預言未來將會是：人類逐漸機器化，機器則會生物化。這個趨勢，在人工智能越來越興起的今天，更加明顯。

　　先單說人類的事情。將來，人類肉身中部件的修複、更新，可能會大量地依靠材料科學。3D打印活體器官延長壽命的夢想盡管遙遠，但我們正向它一步步逼近。

　　浙江大學機械工程學院賀永教授課題組發明了一種新型生物3D打印方法，能夠操控不同種類的細胞形成特定結構的微球，進而長成具有生物活性的微組織。

　　這一方法將為體外重建類器官，為開發更為高效的器官芯片、實施更有效的細胞治療等，提供有效路徑。

　　相關論文近日作為封底論文，刊登在著名的學術出版機構Wiley旗下的《SMALL》雜誌上。

　　3D打印人體零件

　　有一天換器官就像換電池

　　平行宇宙理論世界級研究權威、麻省理工物理係終身教授邁克斯·泰格馬克在他的新書《生命3.0》中，最重要的觀點是他把整個宇宙的生命做了劃分：

　　生命1.0形態（除人類以外的生物）的硬件和軟件，都是自然緩慢演化的結果，所謂天造地設；

　　生命2.0形態，就是人類——硬件代代一脈相承，基本穩定；軟件，指的是意識，可以快速進化，通過後天的學習、發展，發生很大的改變。

　　但是泰格馬克認為：地球上所有的生命，正在朝生命3.0狀態演化——軟硬件都可以快速迭代更新的生命體。也就是說，很有可能，人類的壽命將越來越長，身上都會有人工的設備。

　　如果有一天，人類能夠自由製造人體“零件”，更換器官就像更換電池一樣方便，器官移植的來源就不再成為問題。不過要真正實現活體器官的3D打印，路途還是有點遙遠。

　　在3D打印的“初級階段”，人類已經能夠精準地打印牙齒、骨骼等組織結構相對簡單的零部件，並應用於臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過3D打印頭蓋骨實現整形。

　　但是，如果要把打印目標擴展到人體所有“零件”，挑戰就大多了。

　　首先，要保證人造器官能夠適應人體的力學環境——不能太硬、太軟或者塌陷；

　　其次，器官要能夠存活並發揮特定的功能。比如，盡管3D打印的心髒“模型”已經很多，但至今沒有一顆真正的3D打印心髒，能夠成功植入生物體內。

　　“我們想試試能否先實現一個小目標，打印生物活性的微組織。”賀永說。

　　操控“生物墨水”打印

　　靠的竟是一股氣

　　科學家將不同的細胞，分別用水凝膠包裹，製成“生物墨水”，在一個微流控芯片噴頭的控製下，一點點“吐”出多組分細胞微滴。

　　“用這台機器，我們‘打’出了血管化的骨組織。”賀永說，他們第一次用兩種分別混合了骨髓間充質幹細胞和人臍帶靜脈內皮細胞的“生物墨水”，同步打印出了帶螺旋形的微球。

　　其中，骨髓間充質幹細胞可定向分化為成骨細胞，內皮細胞會形成血管化細胞。經過幾天實驗室培養，呈螺旋形血管化的成骨類器官就形成了。

　　用這種方法，實驗室還做出了玫瑰花、帶螺旋的微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米（相當於0.2毫米）左右。

　　總之，可以操縱細胞任意形成特定的“隊形”。

　　“生物墨水”的組分之一水凝膠，是有名的“軟”物質，如果對這麽軟的材料進行精準操控，頗為艱巨。課題組用一陣“風”巧妙地解決了：

　　在一股微氣流的吹動下，噴頭吐出的液滴不會馬上落下，而是會旋轉起來，此時再根據數學建模控製不同組分“生物墨水”下降的方向，就能形成精致的立體結構。這個過程，有點像我們在轉動的蛋糕模具上裱花，讓不同細胞形成特定的立體“編隊”。

　　“這一技術的精度可以達到單細胞分辨率。”賀永說，與現有生物製造方法相比，其特點是首次實現了在微小空間內三維結構的可控成型，為體外重建複雜類器官提供了新思路。

　　“3D打印生物微組織的另一個用途是細胞治療。”賀永說。

　　當前細胞治療的一大難點，在於直接注射的細胞容易被人體自身的免疫細胞吞噬。“我們或許可以打印出具有特定功能的細胞微球，讓它們抱團在血管中行進，就不怕被吃掉，而且一到目的地，馬上就可以發揮作用。”賀永說。

　　浙大一位從事生物學研究研究的教授認為，這項研究在醫學上很有意義：目前人類的技術已經可以通過幹細胞培養出各種類型的細胞，但接下來還需要讓這些細胞形成特定的組織結構。

　　因為天然的生物組織遠比我們想象得要複雜。比如血管是由成纖維細胞、平滑肌細胞、內皮細胞等組成的複雜結構，有的以維持彈性，有的用來防止血液凝固。“如果要‘打印’血管，就需要將不同的細胞打印到一起，形成特定的結構。”賀永說，三年前，他的課題組開始了嚐試。

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