3D生物打印將實(shí)現(xiàn)“易容術(shù)”

文 張璦敏 楊詩杰

用3D打印為自己造個“臉”，聽起來確實(shí)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(dú)有偶，美國硅谷一家公司也于近日推出了3D面部相機(jī)與3D面部打印機(jī)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(shù)——一種以計(jì)算機(jī)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(xué)產(chǎn)品的新科技手段。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，3D生物打印不僅會開啟人類“易容術(shù)”，而且在經(jīng)濟(jì)生活和國防軍事等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。

揭開面紗——人造皮膚是怎樣煉成的

在醫(yī)療技術(shù)高度發(fā)達(dá)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(shí)，研究人員還專門在實(shí)驗(yàn)室里開展過人體組織結(jié)構(gòu)的培育工作。但從20世紀(jì)80年代日漸興起的3D生物打印技術(shù)，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(jī)。這種打印機(jī)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(guān)測試研究，更可對皮膚受損患者進(jìn)行修復(fù)移植。

然而，人造皮膚的制備說起來容易，做起來難?？此票”〉囊粚悠つw，除了要擔(dān)當(dāng)人體與外部環(huán)境的“警衛(wèi)”任務(wù)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(chǔ)上，進(jìn)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(shù)提出了極高要求。

目前，用于制備人造皮膚的3D生物打印機(jī)，獨(dú)具匠心地設(shè)計(jì)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(xì)胞組成的獨(dú)特配方，在計(jì)算機(jī)的精確控制下，能按一定結(jié)構(gòu)有序排列并進(jìn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)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(xì)胞放置在實(shí)驗(yàn)器皿中培養(yǎng)這些漫長過程，只需要對病人的皮膚細(xì)胞提取分析后進(jìn)行短時(shí)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(shù)的日漸成熟，不久之后人們或許就可利用3D打印機(jī)開啟皮膚的流水線生產(chǎn)模式。那么，3D生物打印技術(shù)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(biāo)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(jī)制備成功，并被《時(shí)代周刊》評為年度50項(xiàng)最佳發(fā)明之一。此后，3D生物打印進(jìn)入到發(fā)展成果井噴階段，美國研究人員使用復(fù)合細(xì)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(shí)，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(jī)，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(jìn)一步治療患有相關(guān)骨科疾病的患者。

3D生物打印的獨(dú)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(xì)胞培養(yǎng)體系，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)精確掃描和計(jì)算機(jī)快速建模技術(shù)支持下，利用計(jì)算機(jī)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(yù)計(jì)3D生物打印技術(shù)將在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)對功能性血管的打印，在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)心臟或肝臟等器官的打印，勢必會引領(lǐng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一場技術(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。畢竟，要想真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的打印，涉及到龐大復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(shí)驚悚，但即將成為現(xiàn)實(shí)。

暢想未來——“易容術(shù)”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(jī)械強(qiáng)度和彈性。此前，美國研究人員就曾通過3D打印技術(shù)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(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。這項(xiàng)成果不禁讓人思考，3D生物打印能否讓“易容術(shù)”夢想成真？

正是看到了3D生物打印技術(shù)未來巨大的應(yīng)用前景，美軍迅速開展相關(guān)技術(shù)研究。目前，美國陸軍正在對再生醫(yī)學(xué)和3D生物打印技術(shù)進(jìn)行投資。美國國防部建立了武裝部隊(duì)再生醫(yī)學(xué)研究所，涉及到多所大學(xué)、軍事實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)研究人員。3D生物打印領(lǐng)域的排頭兵美國北卡羅來納州維克森林大學(xué)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(fù)以及人體細(xì)胞、組織和器官的再生功能研究。

美軍前線作戰(zhàn)統(tǒng)計(jì)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(jī)械化和信息化的大背景下，防護(hù)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(yán)重?zé)齻氖勘鴶?shù)量仍占有較高比例。借助3D生物打印技術(shù)為受傷士兵打印皮膚、修復(fù)戰(zhàn)爭創(chuàng)傷成為研究熱點(diǎn)。目前，美軍武裝部隊(duì)再生醫(yī)學(xué)研究所已經(jīng)利用3D生物打印技術(shù)開展器官、肢體、骨骼、肌肉和心血管系統(tǒng)的再生技術(shù)研究，并逐步實(shí)現(xiàn)了受傷部位掃描、快速建模等關(guān)鍵技術(shù)突破。

然而，3D生物打印技術(shù)真正投入應(yīng)用，依舊有很長的路要走。人體是個復(fù)雜而神奇的系統(tǒng)，我們目前仍未能準(zhǔn)確解碼細(xì)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(xì)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(fù)，也可在醫(yī)學(xué)研究、制藥、美容、機(jī)器人技術(shù)和傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，或?qū)⑸羁谈淖兾覀兊纳?。未來，借?D生物打印為自己量身定制一款“特殊皮膚”，實(shí)現(xiàn)“易容術(shù)”也不是沒有可能。