我们何时能够植入3D打印器官，谁能负担得起？

根据相关数据显示，截至2022年6月10日，美国器官移植等待名单上有106075名男性、女性和儿童。然而，活体捐赠者平均每年只提供约6000个器官，每年约有8000名已故捐赠者，他们每人平均提供3.5个器官，这显然还无法满足移植的需求。如果医生可以直接用病人的细胞打印出一个肾脏，而不是找到一个匹配的捐赠者，会不会从根本上解决这个问题？

△在Wake Forest 再生医学研究所，一个膀胱支架被播种了细胞

哈佛大学怀斯生物启发工程研究所的Jennifer Lewis教授说，3D器官生物打印技术的出现带来了希望，但这种情况最快也要十年后才能实现。根据2019年的一项研究，器官生物打印是利用3D打印技术将多种细胞类型、生长因子和生物材料以逐层的方式组合起来，生产出模仿的生物人工器官。

这种类型的再生医学正处于发展阶段，这种创新背后的驱动力是 "真正的人类需求"。Lewis说："一些人经历了灾难性的健康事件，他们的器官质量不够高，无法捐赠，或者他们一开始就不在器官捐赠者名单上，因此要找到一个好的匹配对象非常困难"。

2006年，Wake Forest 再生医学研究所主任Anthony Atala博士和他的同事在实验室里手工培育人类膀胱，并首次将一个复杂的器官植入人体内 -- 挽救了三个被他们植入膀胱的儿童的生命。

根据美国卫生资源和服务管理局的数据，每天有17人因等待器官移植而死亡，每9分钟就有一个人被列入等待名单。2021年，移植名单上超过90%的人需要一个肾脏。

Lewis说："全世界大约有100万人需要一个肾脏，他们有末期肾衰竭，必须进行透析。一旦患者进行透析，基本上就只剩下五年的寿命，而且每年的死亡率都会增加15%。透析对患者的身体来说是非常艰难的。因此，这确实是促使我们接受打印器官这一宏伟挑战的动力。"

3D打印器官原理

为了开始生物打印器官的过程，医生通常从病人自己的细胞开始。他们对一个器官进行小针头活检，或者做一个微创手术，取出一小块组织，不到邮票的一半大小。通过取这一小块组织，能够将细胞分开并且在体外生长和扩大。

这种生长发生在一个无菌培养箱或生物反应器内，这是一个加压的不锈钢容器，帮助细胞保持营养。医生每24小时“喂养”一次，因为细胞有自己的新陈代谢。每种细胞类型都有不同的培养基，孵化器或生物反应器就像一个类似烤箱的设备，模仿人体的内部温度和氧气。

然后将细胞与凝胶混合，这就像一种胶水，你身体里的每一个器官都有细胞和胶水，把它固定在一起，这也被称为'细胞外基质'。

这是一种可打印的混合物，由活细胞、称为水凝胶的富水分子以及帮助细胞继续增殖和分化的介质和生长因子组成。水凝胶模仿了人体的细胞外基质，其中包含的物质包括蛋白质、胶原蛋白和透明质酸。

胶水的非细胞样本部分可以在实验室里制作，所使用的生物材料必须是无毒的、可生物降解的和生物相容的，以避免出现负面的免疫反应。胶原蛋白和明胶是用于生物打印组织或器官的两种最常见的生物材料。

打印器官的过程

医生将生物墨水（取决于他们想要打印的细胞类型）装入一个打印室，使用打印头和喷嘴挤出墨水，逐层建立材料。通过用病人的X射线或扫描的成像数据对打印机进行编程，可以创建具有个性化特性的组织。

使用彩色打印机，有几个不同的墨盒，每个墨盒都打印不同的颜色，然后你得出你的（最终）颜色。生物打印也是如此；你只是使用细胞而不是传统的油墨。

打印过程需要多长时间取决于几个因素，包括被打印的器官或组织，分辨率的精细程度和所需的打印头数量。但它通常会持续几小时。从活检到植入的时间大约是四到六周。

△一台3D打印机将不同类型的细胞播种到一个肾脏支架上

最终的挑战是 "让器官真正发挥它们应有的功能"，就像从捐赠者那里收获一个器官一样，必须立即将3D打印的器官放入生物反应器并开始灌注，否则细胞会死亡。灌注器官是通过血管或其他渠道的循环为它提供液体，通常是血液或血液替代品。

根据器官的复杂性，有时需要在生物反应器中进一步成熟组织，或进一步驱动连接。为了使打印出来的器官真正像人类器官一样在体内发挥作用，必须完成一些管道问题和挑战。老实说，这一点还没有完全解决。

一旦生物打印的器官被植入病人体内，它就会随着时间的推移而自然降解，这没有问题，因为它就是这样设计的。

"随着胶水的逐渐溶解，细胞感觉到它们不再有一个坚实的立足点。因此，细胞开始创造它们自己的桥梁，创造它们自己的胶水。"

还需要多少年才能实现，成本怎么样?

Lewis和Atala对完全功能的生物打印器官能够被植入人体之前的剩余年限进行了保守的估计。

Lewis说："这个领域发展很快，但我认为我们正在谈论十年以上的时间，即使已经取得了所有的巨大进展。”

Atala说："我多年前就学会了永远不要预测，因为你总是会错的。在制造和（美国食品和药物管理局的规定）方面有太多的因素。我们的兴趣是确保技术对病人来说是安全的，这是最重要的。"

每当生物打印器官成为一种可用的选择时，病人和他们的护理人员的负担能力不应该是一个问题。

Atala说：“与器官衰竭有关的费用非常高。仅仅为了让一个病人继续接受透析，每年就要花费25万美元以上。因此，创造一个可以植入病人体内的器官要便宜得多。"

根据美国肾脏病学会发表的研究报告，2020年的平均肾脏移植费用为442,500美元--而3D打印机的零售价约为几千美元，最高可达10万美元，这取决于其复杂性。但是，即使有低成本的打印机，生物打印的昂贵部分可能包括为病人维护细胞库，培养细胞和安全处理生物材料。

目前器官移植的一些主要成本是 "从捐赠者那里获取器官，运输成本，然后当然是接受者经历的手术，然后是所有的护理和监控。"即使是生物打印，其中一些成本仍然是不可避免的。"

哈佛大学开发出伴随母体生长的3D生物打印心脏技术，有望解决“一心难求”窘境

2022年6月12日，南极熊获悉，来自哈佛大学 Wyss 仿生工程研究所和哈佛大学工程与应用科学学院 (SEAS) 的 Jennifer Lewis 团队合作开发了一套新的心脏工程技术。该技术模拟了心脏收缩元件的复杂排列，同时产生足够厚的组织，以用于再生心脏治疗。

现有SWIFT 3D生物打印技术的改进

这套方案是建立在现有SWIFT生物打印平台基础上，打印平台有1050个孔，每个孔包含两个微柱。研究人员首先通过人工诱导多能干细胞衍生心肌细胞（hiPSCs-CMs），形成预组装心脏器官构件（OBB），然后将OBB从微柱上取下并用作制造生物墨水的原料，并在打印过程中利用3D打印机头的运动进行进一步的对齐。

△3D生物打印过程

经过实验，该团队能够打印出具有与实际人类心肌层相似的复杂多变排列的心脏组织薄片，这将有望为3D打印心脏组织替代物铺平道路。

为了测试打印的心脏结构的收缩特征，研究人员还打印了连接两个大柱的“大长丝”，测量后发现长丝产生的收缩力和收缩速度在 7 天内有所增加，这表明心脏细丝能够不断成熟为真正的肌肉状细丝。

△3D生物打印的心脏细胞

这也意味着新技术能够有效地模拟心脏收缩系统在从单个细胞到由多层组成的较厚心脏组织的整个层次结构中的排列，对于生成用于替代治疗的功能性心脏组织至关重要。

未来借助这项技术，它可以用来生成更多的生理疾病模型，并创建高度结构化的心肌贴片，就像乐高积木一样，可以匹配并用于替换心脏病发作后患者特定的疤痕。

同样，它们可以用定制的方式来修补患有先天性心脏缺陷的新生儿心脏中患者的特定“漏洞”，而且这些贴片可以随孩子一起发育，而不必随着孩子的成长而更换。

3D生物打印心脏组织的其他进展

早在2017 年，苏黎世联邦理工学院的一个研究团队曾利用 3D 打印技术打造了一种人造硅胶心脏，它能像人体内的器官一样跳动，但当时的测试结果显示它能维持的使用时间只有 30 到 45 分钟。

△图片来自：ETH Zürich

2019年，以色列特拉维夫大学的研究人员创造了世界上第一颗具备细胞和血管的3D打印心脏。研究人员从患者身上采集了脂肪组织，并且将其中的细胞和非细胞物质分离开来。分离出的细胞随后与特制的打印材料混合到一起，打印出适合患者的心脏组织。这虽然是个包括血管和心室等部分的构造完整的心脏，但它只有兔子心脏的大小。

△图片来自：Wyss Institute

2022年6月，国内中科院和清华大学的研究团队，创造性地将六轴机器人改造成为生物3D打印机--六轴机器人生物3D打印机，实现了360°全方位任意角度细胞打印；并且开发了油浴细胞打印体系，以更好地保持细胞打印后的自然功能。结合自行设计的生物反应器和重复的打印培养策略，生物打印系统能够生成血管化的、可收缩的、长期存活的心脏组织，为复杂器官的体外制造提供了一个有前途的解决方案。

△六轴机器人生物3D打印机示意图

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