賀永實(shí)驗(yàn)室用“生物墨水”打印的一朵玫瑰花。

      凱文·凱利在1994年出版《失控》時(shí)，就已經(jīng)預(yù)言未來(lái)將會(huì)是：人類(lèi)逐漸機(jī)器化，機(jī)器則會(huì)生物化。這個(gè)趨勢(shì)，在人工智能越來(lái)越興起的今天，更加明顯。

先單說(shuō)人類(lèi)的事情。將來(lái)，人類(lèi)肉身中部件的修復(fù)、更新，可能會(huì)大量地依靠材料科學(xué)。3D打印活體器官延長(zhǎng)壽命的夢(mèng)想盡管遙遠(yuǎn)，但我們正向它一步步逼近。

浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組發(fā)明了一種新型生物3D打印方法，能夠操控不同種類(lèi)的細(xì)胞形成特定結(jié)構(gòu)的微球，進(jìn)而長(zhǎng)成具有生物活性的微組織。

這一方法將為體外重建類(lèi)器官，為開(kāi)發(fā)更為高效的器官芯片、實(shí)施更有效的細(xì)胞治療等，提供有效路徑。

相關(guān)論文近日作為封底論文，刊登在著名的學(xué)術(shù)出版機(jī)構(gòu)Wiley旗下的《SMALL》雜志上。

3D打印人體零件

有一天換器官就像換電池

     平行宇宙理論世界級(jí)研究權(quán)威、麻省理工物理系終身教授邁克斯·泰格馬克在他的新書(shū)《生命3.0》中，最重要的觀點(diǎn)是他把整個(gè)宇宙的生命做了劃分：

生命1.0形態(tài)（除人類(lèi)以外的生物）的硬件和軟件，都是自然緩慢演化的結(jié)果，所謂天造地設(shè)；

     生命2.0形態(tài)，就是人類(lèi)——硬件代代一脈相承，基本穩(wěn)定；軟件，指的是意識(shí)，可以快速進(jìn)化，通過(guò)后天的學(xué)習(xí)、發(fā)展，發(fā)生很大的改變。但是泰格馬克認(rèn)為：地球上所有的生命，正在朝生命3.0狀態(tài)演化——軟硬件都可以快速迭代更新的生命體。也就是說(shuō)，很有可能，人類(lèi)的壽命將越來(lái)越長(zhǎng)，身上都會(huì)有人工的設(shè)備。

     如果有一天，人類(lèi)能夠自由制造人體“零件”，更換器官就像更換電池一樣方便，器官移植的來(lái)源就不再成為問(wèn)題。不過(guò)要真正實(shí)現(xiàn)活體器官的3D打印，路途還是有點(diǎn)遙遠(yuǎn)。在3D打印的“初級(jí)階段”，人類(lèi)已經(jīng)能夠精準(zhǔn)地打印牙齒、骨骼等組織結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零部件，并應(yīng)用于臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過(guò)3D打印頭蓋骨實(shí)現(xiàn)整形。但是，如果要把打印目標(biāo)擴(kuò)展到人體所有“零件”，挑戰(zhàn)就大多了。

首先，要保證人造器官能夠適應(yīng)人體的力學(xué)環(huán)境——不能太硬、太軟或者塌陷；

其次，器官要能夠存活并發(fā)揮特定的功能。比如，盡管3D打印的心臟“模型”已經(jīng)很多，但至今沒(méi)有一顆真正的3D打印心臟，能夠成功植入生物體內(nèi)。

“我們想試試能否先實(shí)現(xiàn)一個(gè)小目標(biāo)，打印生物活性的微組織?！辟R永說(shuō)。

操控“生物墨水”打印

靠的竟是一股氣

     科學(xué)家將不同的細(xì)胞，分別用水凝膠包裹，制成“生物墨水”，在一個(gè)微流控芯片噴頭的控制下，一點(diǎn)點(diǎn)“吐”出多組分細(xì)胞微滴?！坝眠@臺(tái)機(jī)器，我們‘打’出了血管化的骨組織。”賀永說(shuō)，他們第一次用兩種分別混合了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的“生物墨水”，同步打印出了帶螺旋形的微球。

     其中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可定向分化為成骨細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)形成血管化細(xì)胞。經(jīng)過(guò)幾天實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，呈螺旋形血管化的成骨類(lèi)器官就形成了。用這種方法，實(shí)驗(yàn)室還做出了玫瑰花、帶螺旋的微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米（相當(dāng)于0.2毫米）左右。

總之，可以操縱細(xì)胞任意形成特定的“隊(duì)形”?！吧锬钡慕M分之一水凝膠，是有名的“軟”物質(zhì)，如果對(duì)這么軟的材料進(jìn)行精準(zhǔn)操控，頗為艱巨。課題組用一陣“風(fēng)”巧妙地解決了：在一股微氣流的吹動(dòng)下，噴頭吐出的液滴不會(huì)馬上落下，而是會(huì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，此時(shí)再根據(jù)數(shù)學(xué)建模控制不同組分“生物墨水”下降的方向，就能形成精致的立體結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程，有點(diǎn)像我們?cè)谵D(zhuǎn)動(dòng)的蛋糕模具上裱花，讓不同細(xì)胞形成特定的立體“編隊(duì)”。“這一技術(shù)的精度可以達(dá)到單細(xì)胞分辨率。”賀永說(shuō)，與現(xiàn)有生物制造方法相比，其特點(diǎn)是首次實(shí)現(xiàn)了在微小空間內(nèi)三維結(jié)構(gòu)的可控成型，為體外重建復(fù)雜類(lèi)器官提供了新思路。

“3D打印生物微組織的另一個(gè)用途是細(xì)胞治療?！辟R永說(shuō)。

     當(dāng)前細(xì)胞治療的一大難點(diǎn)，在于直接注射的細(xì)胞容易被人體自身的免疫細(xì)胞吞噬。“我們或許可以打印出具有特定功能的細(xì)胞微球，讓它們抱團(tuán)在血管中行進(jìn)，就不怕被吃掉，而且一到目的地，馬上就可以發(fā)揮作用?！辟R永說(shuō)。浙大一位從事生物學(xué)研究研究的教授認(rèn)為，這項(xiàng)研究在醫(yī)學(xué)上很有意義：目前人類(lèi)的技術(shù)已經(jīng)可以通過(guò)干細(xì)胞培養(yǎng)出各種類(lèi)型的細(xì)胞，但接下來(lái)還需要讓這些細(xì)胞形成特定的組織結(jié)構(gòu)。

     因?yàn)樘烊坏纳锝M織遠(yuǎn)比我們想象得要復(fù)雜。比如血管是由成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有的以維持彈性，有的用來(lái)防止血液凝固。“如果要‘打印’血管，就需要將不同的細(xì)胞打印到一起，形成特定的結(jié)構(gòu)。”賀永說(shuō)，三年前，他的課題組開(kāi)始了嘗試。