生物3D列印將掀起一場醫療領域顛覆性革命

毫無疑問，3D列印技術（3D printing）作為一項劃時代的發明，正在潛移默化地改變整個世界。而作為跨界領跑者，它成功引起了醫療領域科研巨頭的注意，眾多科研者也對此技術情有獨鍾。從3D列印器官、假肢，再到與人類健康息息相關的藥物列印，無不標誌著未來醫療發展的新方向。

3D生物列印的實質

與傳統的減材製造工藝不同，3D列印作為新興的一種快速成型技術，以數據設計文件為基礎，將材料逐層沉積或黏合以構造成三維物體的技術。起初該技術只是被用於快速製造工業部件，而當其遇到了生物學則勢必會碰出新的火花，3D生物列印就此應運而生。

因而，在3D生物列印過程中，研究者會以計算機三維模型為基礎，通過軟體分層離散和數控成型的方法，定位裝配生物材料或活細胞，製造人工植入支架、組織器官和醫療輔助等生物醫學產品。

換言之，3D生物列印所使用的原料是生物墨水，而非傳統的塑料材料。研究者會從人體骨髓或脂肪中提取的幹細胞，再以生物化學手段將其「改造」（分化）為不同類型的其他細胞後，封存為「墨粉」。

當啟動3D生物印表機時，電腦建模程序會設計出需要列印的器官剖面圖，來精準指導隨後的列印過程；而後「墨粉」將通過列印頭聚攏在事先設計好的生活相容性材料上，按照一定的圖案來逐漸形成列印器官的雛形，構建活體組織。

眾所周知，細胞素來嬌貴，對生長環境條件要求苛刻，非無菌條件不住；環境的溫度、濕度稍不滿足其心意，就會鬧脾氣（生長不良）、甚至以死相脅。為此，3D生物印表機需被置於生物安全櫃中進行無菌操作，同時須確保適宜的溫度和濕度以避免細胞死亡。

考慮到構成人體不同組織的每個細胞類型都需要一個獨特的機械環境，即需要通過獨特的結構支撐來正常運轉其功能，比如骨骼是一種具有抵抗力和脆性的物質，心臟的肌肉是有彈性的、堅韌的組織，而像肝臟這樣的內部器官是柔軟的和可壓縮的。現階段很多研究者都致力於找到一種可在3D印表機操作的生物相容性材料，使其對細胞造成的傷害降到最小。

最新的研究表明，從海藻中提取的新材料可在不同的環境中對人體幹細胞進行3D生物列印，而且不會對細胞造成損害，為複雜組織結構的列印鋪平了道路。

3D列印器官帶來的希望與挑戰

雖然現有的3D生物列印技術的研究還處於早期階段，但是其發展前景已經備受大家矚目，尤其是在醫療領域，該技術甚至有望徹底改變臨床器官移植的情況。

長久以來，很多患者等待著可與其相匹配的捐獻器官，而由於器官移植需求與可供移植器官之間存在著巨大的缺口，使得很多病人最後只能在漫長而無望的等待中走向死亡。3D生物列印技術的出現，則為這些病人帶來了巨大的希望。澳大利亞每年有1500名接受器官移植的患者希望通過3D列印生物組織來替代器官移植，為他們提供一個新的解決方案。

儘管目前為止生物3D列印技術已實現了體外手術模型和人體類器官的列印，但是卻還沒有發展到可以替代人源器官的程度。而且是即便人體類組織，也只是組織結構相似，而不具備組織的功能。就拿皮膚來說，看起來薄薄的一層，但其功能很多，除了保護身體功能之外，還有感覺、調溫、出汗等功能，如果列印出來的皮膚不具備這些功能也是不行的。

而3D列印活體器官之所以最具有挑戰性，是因為從技術層面來說，至少需要克服三個挑戰：1、需要解決列印過程中細胞能否存活、能否發育、能否變異甚至腫瘤化的問題。2、3D生物印表機必須滿足生物仿生對製造精度、準確性的極高要求。3、組織及器官是由多材料及多細胞組成的非均質體系，對製造學要求也極高。

目前，科研人員正在加緊攻克這些技術難題。一些如皮膚等相對簡單組織的列印過程已經有所進展，該技術的下一階段就需要與神經、血管和淋巴管進行整合，以便與宿主系統結合，為後續創造出移植器官，如腎臟、肺、心臟或肝臟打下基礎。

雖然3D列印技術在實驗室里已取得了相應成功，但這並不意味很快就能實現產業化，因為列印出的組織在確保其安全性、有效性之前，還需要大量的實驗驗證，據估算，一個用於組織修復的3D列印產品從研發到上市，大致需要5年到6年時間。

3D生物列印在新葯測試中大顯身手

眾所周知，凡是新葯研發，若不經過九九八十一難，是很難真正走向上市之路的。目前若只以現有的方法將新葯從最初的實驗室研究推向市場，不僅要耗時十多年之久，還需要花費將近25億美元。

有時即便研發過程中已經確定了新的候選藥物，但是該藥物能獲得監管部部門批准的可能性也是非常低的，以2016年為例，獲得批准的藥物還不到10%。甚至新葯都已經走向人類臨床試驗了，根據藥物分子的類型、試驗參與者的疾病癥狀以及死亡情況，其上市可能性也只處於10％至15％之間。

而這些藥物上市失敗的主要原因在於對人類的藥效較差，儘管它們在動物實驗上療效奇佳。動物實驗與臨床試驗之所以脫節是因為物種之間存在不同生理學：嚙齒動物和其他試驗動物在許多關鍵方面與人類相較而言是非常不同的。

而3D列印技術可列印出肝臟、腎臟或心臟肌肉等更為複雜的3D模型，更適合於用於新葯測試和識別。目前很多跨國製藥公司已經將該模式用於新葯研發過程中。

雖然研究中動物模型必不可少，但是美國FDA以及其新任主管已經開始考慮整合藥物安全和功效評估的替代品。目前將生物列印組織用於藥物研發已經得到科研者的廣泛承認，並獲得了澳大利亞的基金申請機構和全球資助項目的基金支持。

3D列印，動物實驗的終結者？

2013，歐洲聯盟通過了一項新的法律，禁止在其領土內通過動物來測試化妝品的效果，以及禁止使用國外一些以動物試驗為檢測基準的零售化妝產品。

而這項法律法規無疑加速了基於人體的3D皮膚模型的開發，該模型可用於測試新的化妝品配方。由此可見，3D列印技術的可行性以及該技術對實驗動物數量的減少，成為了這項法規通過的重要原因。而類似法規在澳大利亞也是適用的。

總之，其他行業的這種顯著變化，再加上科學技術的日新月異的進步，使得3D生物列印技術自然而然地成為檢測出有效新葯的一種更快更廉價的方法。

參考文獻：The Next Pharmaceutical Revolution Could Be 3D Bioprinted

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