共同推动组织工程学不断向前发展

　　。仅仅在美国就有多达 100000 人在等待器官移植，而且这个数字每隔十年就翻一倍。可是，在这样的背景之下，可用于移植的器官却没有增加，其数量不及所有需要器官移植人数的 1/3。为了解决这个问题，AnthonyAtala 成为了率先致力于实验室人造活体器官的先行者之一。

　　Anthony Alata 是美国北卡罗来州温斯顿塞勒姆市维克森林再生医学研究院的主任。这里的研究人员在人造器官工程方面不断取得惊人进展，早在 1999 年就通过植入人类细胞培育的支架制造出多个人类膀胱，继而将这些膀胱成功移植到病人体内，从而延长了病人的寿命。在 2011 年的TED演讲中，Atala还遇到了一位十年前移植了新膀胱的年轻人。

　　此外，Atala还在演讲舞台上演示了一个特殊的3D打印机，它可以制造出一个人体肾脏原型。这种实验性人造器官离真正的人体器官移植还很远。但是当Atala带着医疗手套手握一个刚刚“打印出来的”完整肾脏时，观众感到非常地震撼和惊讶！

　　毫无疑问，用于更换人体器官的“生物打印”技术是目前3D打印领域最为激进的应用。同时它也是我最为关注的3D打印应用，我一直与推动这项技术发展的研究人员保持着最密切的接触。

　　作为一名最纯粹的观众，在Anthony Atala 发表这个著名的TED演讲时，我发现当时几乎没人制作过展示生物打印将成为重大机遇的影音资料。因此，我启动了一个个人项目，它让概念性生物打印媒体变得非常流行，而且许多研究团队和出版物都采用了这些资料。如图7-1所示，我的成果就是这台未来生物打印机。3D 打印爱好者可能看到过这张图片，但或许没人知道它是我制造的！

　　图7-1 未来生物打印机的概念演示（图片由Christopher Barnatt提供，来自ExplainingTheFuture.com。）

　　本章将展示致力于将人体组织生物打印变成现实日常医疗技术的几位先行者的工作。可以预见，在未来数十年内，生物打印很可能会替代常规移植的动脉、肾脏、肝脏、胰脏和心脏。一旦这种技术发展成熟，医生甚至可以通过直接为病人生物打印新细胞而治愈伤口。反过来，生物打印不仅能够改变治愈伤者和病人的方式，还会改变外科医生的作业方式。

　　7.1 从照片打印到生物打印

　　自2000 年以来，日本儿科医生Makoto Nakamura 越来越关注迫切需要器官移植的病人数量。因此，他开始研究制造机械无机修复学的可能性。一次很偶然的机会，Nakamura 发现标准喷墨照片打印机的打印头喷出的墨滴像人体细胞一样大小。于是他开始设想将一台照片打印机变成一台可以加载可培育人体细胞3D生物打印机。理论上这台打印机可以通过物质喷射过程打印出细胞，从而生成人造活体组织。

　　2002年，Nakamura使用一台标准爱普生打印机开始他的第一次实验。第一次加载细胞时，设备的打印头直接堵住了。Nakamura并未因此放弃，他打了一通有史以来最奇怪的客服电话！幸好，爱普生方面有一些人接受了他的想法。一年之后，他在爱普生工程师的帮助下，使用一台经过修改的照片打印机成功输出了在喷墨打印过程中保持存活的细胞。采用的方法是将细胞包裹在海藻酸钠里，防止它们失去水分，然后再将其注射到氯化钙溶液中。

　　从2005 年4月到2008 年3 月，Makoto Nakamura 在日本神奈川科技学院主持了一个生物打印项目。在这期间，他带领一个团队从零开始建造一台实验生物打印机。这台打印机可在两种不同类型细胞层之间形成“生物管道”，并每分钟输出15毫米直径为1毫米的材料。后来的几年时间里，这些生物管道可用于替换人体血管的活体组织。Nakamura 希望将来能够打印出可供人体移植的生物打印置换器官。

　　除了Nakamura教授，还有其他一些研究人员在设法修改标准喷墨打印机机构，以演示概念验证生物打印。其中最著名的是Thomas Boland和Vladimir Mironov，他们都成功地开展了相似的实验。早在2004 年9 月，第一届生物打印与生物仿造国际研讨会在英国曼彻斯特大学举行，大会每年召开一次。从那时开始，这个大会吸引着越来越多物理学家、生物学家和内科医生，共同推动组织工程学不断向前发展。

　　7.2 大自然施以援手

　　除了Nakamura、Boland和Mironov，另一个重要的生物打印先行者是美国密苏里大学的Gabor Forgacs。在1996 年，经过对小鸡胚胎的艰苦研究之后，Forgacs 发现在胚胎发育过程中细胞会紧密挨在一起，这一发现对人造组织制作有很大的帮助。到2004年，Forgacs已经开始使用这个发现开发自己的生物打印技术。这项技术的原理并不是用各个独立包裹的细胞来制造组织，而是使用由成千上万个细胞组成的“块”。这些块在技术上称为“生物墨水球状体”，它们会通过一个微小针状打印头注入到水基“生物纸”上。

　　为了进一步推进研究成果，Forgacs在2007年创建了Organovo公司，其使命是“创造用于研究和外科手术的组织。”到2008年3月，Organovo已经开发出一款生物打印机，它由微电子制造商 nScrypt 定做。随后， Forgacs 及其团队利用这台原型打印机和从小鸡身体里获得的细胞制造出了功能血管和心脏组织。待打印完 70 个小时，所有细胞完全熔凝之后，这个组织就成活了。

　　下一阶段研究中，Organovo与医疗设备制造商Inv