1987年，美国发明家Chuck Hull成功制造了第一台3D打印机，这是一种可以逐层挤压材料的机器人，慢慢地将数字蓝图文件变成实物。在接下来的30年里，Hull和其他工程师不断完善这一概念。如今，3D打印已经成为现代设计和制造的核心技术之一，它非常适合创建一个或几个复杂形状的副本，比如产品原型。
定制的、复杂的形状在生物学中也很常见，这让许多生物医学研究人员提出了是否有可能打印工作组织和器官的问题。从21世纪初使用喷墨打印机开始，生物打印先驱们已经转向3D打印，产生了越来越复杂的生物结构。与此同时，细胞生物学家已经改进了制造诱导多能干细胞（iPSC）的技术。
通过结合这两种技术，未来的医生可能会从患者的细胞中生物打印出替代组织和器官，从而消除寻找捐赠者的需要和免疫排斥的风险。研究人员仍需解决一些棘手的问题，才能将生物打印技术应用于临床，特别是用于复杂的器官移植。但最近一系列发展以及相对便宜、用户友好的生物打印机使这项技术比以往任何时候都更容易获得。
类器官保持节拍
在一个典型的生物打印实验中，科学家们使用一个专门的3D打印机挤出由细胞外基质材料或活细胞组成的生物墨水，打印机将3D计算机模型转换成打印出来的形状。位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛大学工程与应用科学教授Jennifer Lewis在建立自己的生物打印实验室时，首次采用了这种方法。
“我们最初的重点是通过完全打印所有东西来创造血管化的人体组织……建立起具有血管网络的多细胞结构。”Lewis说。将细胞和细胞外基质打印在一起，使她的团队能够精确地控制结构。但Lewis意识到，这种技术无法在复杂器官中构建最小的结构。“（我们正在寻找的）那种1微米到10微米的尺度，即细胞本身的大小，仅靠生物打印是很难做到的。”她说。
与此同时，干细胞研究人员在培育类器官方面取得了重大进展，这是一种由部分分化的干细胞自组装的小型类器官结构。Lewis决定将这两种方法结合起来——使用3D打印来铺设血管结构，然后在其上植入受刺激的干细胞，以形成适合该器官的组织类型。
为了测试这种新方法，Lewis的团队将重点放在心脏组织上。心脏是生物打印概念验证实验的自然选择。与其他一些复杂的器官相比，它们的细胞类型更少，并且为细胞是否正常运作提供了清晰的直观证据，因为心肌细胞在形成工作组织后就会自发地开始跳动。
利用混合打印方法，研究人员构建了血管化心脏组织的复杂切片，并植入iPSCs，刺激其形成心脏细胞。然后，它们运行起来了。“它们从基本的异步搏动开始，每个单独的类器官都以不同的速度搏动；当它们融合在一起时开始跳动，它们同步，然后整个组织同时收缩。”Lewis说。
虽然这一结果令人印象深刻，但Lewis警告称，这离构建功能性心脏还有几步之遥。一个问题是，类器官还不成熟，其收缩比成人心脏的收缩要弱得多。制造一颗正常工作的心脏需要更多的后处理来增加组织的强度，并且需要更多的干细胞生物学的进步来提升细胞的成熟度。它还需要打印一个完整的器官，这是Lewis目前不愿意做的事情。Lewis说：“我们故意不去做一个看起来像心脏的结构。”她不想用一个完整但没有功能的器官的图像来制造虚假的希望。
修补破碎的心
尽管他们还没有准备好制造完整的心脏，但研究人员仍在探索将生物打印应用于临床的方法。以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）分子微生物学和生物技术教授Tal Dvir一直在复制病人的心脏血管。“我们开始用血管打印心脏贴片，最初所做的是查看病人的CT图像，查看左心室的血管，也就是心室或需要替换的组织。”Dvir说。
尽管他强调该方法还远未准备好用于人类，但Dvir的团队已经成功地打印出了左心室的生物打印副本，并在其上植入了源自患者的iPSC。为了支持这些细胞，他使用了一种水凝胶，这种水凝胶也是根据患者自身的免疫状况定制的，这样在移植时就不会刺激免疫反应。在最近的项目中，Dvir及其同事将这一过程扩大到打印出完整的心形结构。“我需要强调的是，这是一个非常基本的心脏，现在我们正在努力让它更先进一点——更成熟、有更多的血管。”Dvir说。
正如Lewis团队所做的那样，Dvir的实验室正在努力解决iPSC衍生的心肌细胞相对薄弱的问题。除了加强生物打印的心肌，研究人员还在考虑如何使已完成的器官存活足够长的时间以供移植。“当你谈论如此厚实且体积庞大的器官时，你无法在常规培养箱中正常培养这些细胞，因为氧气无法渗透到组织中，大部分器官都会死亡。”Dvir说。他补充道，专门的生物反应器必须提供类似于血液循环的东西来支持完整的器官。生物打印心脏还需要电子元件，比如起搏器和专门的信号细胞。
尽管他的实验室现在打印的结构很复杂，但Dvir使用的是其他研究人员可以很容易获得的现成设备和供应品。他的生物打印机来自瑞士维拉—圣皮埃尔的regenHU公司的标准型号。“最重要的不是打印机本身，而是用来打印细胞的生物材料。”Dvir说。他鼓励那些想要进入生物打印领域的科学家密切关注他们的生物墨水的特性，并选择与他们想要创建的结构兼容的材料。
打印制品和特性
就在几年前，研究级生物打印机还是昂贵且挑剔的设备，只有资金最雄厚的实验室才能负担得起。不过，现在有几家公司提供了价格相对低廉、用户友好且功能先进的设备，比如Dvir使用的regenHU系统。
事实上，生物打印机的价格最近已经暴跌。2016年，研究人员花20万美元或更多的钱购买一台生物打印机的情况并不少见。那一年，位于马萨诸塞州波士顿的Cellink公司以5000美元的价格推出了一款入门级生物打印机。但有一个小问题：这个价格只适用于愿意并能够合作开发该设备的实验室。“有了这些反馈，我们可以开发自己的旗舰系统，称为Bio X，我们在世界上大部分地区的售价为39000美元。”该公司首席执行官兼创始人Erik Gatenholm表示。Gatenholm补充说，Bio X现在是全球最畅销的生物打印机。
虽然Bio X的价格是许多学术实验室和小型生物制药初创公司能够承受的水平，但Gatenholm表示，Bio X也具有多种功能且是用户友好的。“你可以根据自己使用的材料来更换打印头。”他说。不同的打印头适用于热塑性塑料、胶原蛋白、细胞和微小的液体液滴（如墨水）的打印。
Cellink公司对一些客户使用该系统的方式感到惊喜。“你显然想要解决最大的（生物打印）问题，那一定是心脏、肾脏和肝脏。但我们看到的一些非常酷的应用已经取得了很大进展，比如打印角膜。”Gatenholm说。这项研究是由英国纽卡斯尔大学组织工程学教授Che Connon完成的，它可能最终为全世界约1500万等待角膜移植的患者带来新的治疗方法。“人类角膜市场是一个价值10亿美元的产业，但这不是我们通常谈论的话题。”Gatenholm说。
这种临床突破的潜力促使制药公司对生物打印产生了很大的兴趣，但这项技术仍需扫除一些主要障碍才能应用于患者。位于加州圣地亚哥的Organovo公司长期以来一直被视为临床生物打印领域的领导者。然而，该公司去年8月宣布暂停其领先的肝脏生物打印项目和重组。
尽管去做
尽管有来自Organovo公司的严峻消息，但在学术和工业实验室从事更基础项目的研究人员继续涌向生物打印。“我们从客户那里看到了许多不同的应用；人们从事着从食物到用于高通量药物筛选的体外组织模型的各种工作。”宾夕法尼亚州费城Allevi生命科学解决方案公司副总裁Taciana Pereira指出。
和Cellink公司一样，Allevi公司专注于制造价格实惠、用户友好的生物打印机。该公司提供四种型号，编号为1、2、3和6。“型号数字对应于打印机上挤压头的数量。”Pereira解释道。价格从2万美元的基本款Allevi 1到10万美元的顶级款Allevi 6。该公司还销售一系列生物墨水和试剂。
“我们有一个非常易于使用的软件，任何人都可以从登录的第一分钟开始打印。”Pereira表示，“用户只需选择他们想要打印的形状，不必使用后端代码就能从生物材料中得到他们想要的结构。”高级用户仍然可以深入研究代码，以便对过程进行更多的控制。无论他们的专业水平如何，大多数科学家都会喜欢诸如无线连接这样的功能，这使得生物打印机可以放置在工作台或安全柜中，而不需要使用额外的电缆。
计划购买一台Allevi公司打印机的调查人员应该仔细考虑他们当前和未来的需求，因为该系统具有可更换的挤出头，但仅限于系统上的原始打印头数量。例如，单头打印模式无法扩展为双头打印模式，因此实验室要想实现更复杂的打印模式，就必须购买一台新机器。Pereira解释道，也就是说，公司愿意与现有客户进行谈判，以降低升级成本。
随着多家公司提供具有类似功能的生物打印机，研究人员应该在购买之前货比三家。“你要确保生物打印机既能打印简单的结构，也能打印复杂的结构，并在你获得专业知识后进入代码。你还需要确保你选择的公司能让你做与工作最相关的事情。”Pereira说。
休斯敦，我们有一台打印机
随着商业制造的生物打印机在世界各地的实验室中变得越来越普遍，至少有一家公司已经将其推向另一个前沿领域。2019年7月，生物制造设施（BFF）抵达国际空间站进行安装，并于8月开始在这台轨道生物打印机上进行首次实验。它标志着十多年前开始的努力达到了真正的高潮。
在女儿出生时患有膈疝，需要切除一个肺后，激光工程师兼nScrypt公司首席执行官Ken Church开始对生物打印器官感兴趣。他很快意识到，这需要一个多学科的团队。“生物学家基本上擅长于……让细胞保持活力，工程师们非常有创造力，但我们会杀死我们接触到的一切。”Church说。通过多次设计迭代并与生物学家密切合作，nScrypt公司最终开发出可以生产复杂组织的生物打印机。
现在，他们正面临其他人试图构建全尺寸器官所面临的同样问题。“我们可以很好地打印组织……但我们很难达到一定的厚度，因为废物无法排出，氧气和营养物质无法进入。”Church说。虽然像Lewis和Dvir这样的生物学家正试图通过在打印的器官中构建内部血管来解决这个问题，但Church说他的团队采取了不同的方法：“如果我们降低一点粘度，并让这些细胞更自由地移动，会怎么样？”
重力会使粘性较小的结构坍塌，所以nScrypt公司决定把他们的打印机带到太空。为此，他们与位于印第安纳州格林维尔的资深航空航天公司Techshot合作，该公司在准备轨道有效载荷方面拥有丰富的经验。在美国国家航空航天局的微重力测试“vomit comet”飞机上进行的初步实验表明，nScrypt打印机可以用低粘度矩阵生产心脏瓣膜。BFF使用的是同款打印机的一个版本，该打印机坚固耐用，适合太空使用，Church对其潜力持乐观态度。
使nScrypt生物打印机能够在太空中“生存”的修改也使其适用于其他恶劣的环境。“与我们发射到太空的结构一样，我们与美国军队一起把它送到非洲。”Church说。自那以后，该系统就在那里打印了定制的浸有抗生素的绷带。
不管他们正在进行何种类型的生物打印，该领域的专家都对其未来持谨慎的乐观态度。“生物打印领域正在发生许多令人兴奋的事情；只要这个领域不过分自我吹嘘，未来3~5年内就会出现真正的好东西。”Lewis说。■
参考文献
A. Isaacson，S. Swioklo，C. J. Connon， Exp. Eye Res. 173，188–193 （2018）
N. Noor et al.，Adv. Sci. 6，1900344 （2019）
M. A. Skylar-Scott et al.，Sci. Adv. 5，eaaw2459 （2019）
Alan Dove是马萨诸塞州的科学作者和编辑。
鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2020年1月10日《科学》杂志”。官方英文版请见https://www.science.org/content/article/prints-pieces。
