我们真的掌握了上帝之手吗3D打印人体器官

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引言听到人体3D打印，你的第一反应是什么？是《西部世界》里组成高科技成人乐园的、自带情感剧本的人造人？抑或是《黑镜》里在未来供人治疗情伤的3D打印男友？或者更像是《终结者》里不断用液态金属修复自己的反派T-？尽管目前的技术还难以通过生物材料打造完整的人的躯体，但器官级别的3D打印却比我们想象的更为落地，需求也更为迫切。中科院再生生物学重点实验室学术带头人、SEEDAWARD全球专家评委——郑辉教授曾经评论说：打印器官比“打印活人”还要难，因为我们需要扮演上帝造人的角色。在SEEDAWARD全球海选中，我们发现许多创想者正在突破技术的极限，用创新和技术握住上帝之手。据媒体报道，美国器官共享网络(UNOS)——管理全国器官移植系统的非营利组织的数据显示，每天有20名等待器官移植的病人去世。虽然现在每年有超过3万例器官移植手术，但是还有超过11.3万名患者在等候器官移植。而在以色列，心脏病是仅次于癌症的第二大致人死亡的疾病，年以色列心脏病导致的死亡人数占总死亡人数的16％左右；而根据中国国家心血管病中心组织编撰的《中国心血管病报告》，我国现有心血管病患者超过2.9亿人，每10人中就有2人患有心血管病，每10秒钟就有1人死于心血管病，中国已经成为全球心脏病猝死人数的第一大国。心脏移植手术是针对心力衰竭晚期患者唯一有效的疗法。器官移植的缺口越来越大，排队等待移植的患者越来越多，因此3D打印人体器官的技术被寄予厚望，已成为有望解决这个问题的重要途径之一，成为器官衰竭病人的救星。图：SEEDAWARD大奖获奖团队Matricel年4月，以色列特拉维夫大学的研究小组首次在全球成功地“打印”出带血管的人工3D心脏，这是人类首次成功地设计和打印出充满细胞、血管并有心室的完整心脏。并且，本次进行3D打印的生物材料取自患者本身，具有与患者自身组织相同的生化、机械和形状特征。使用这项3D打印技术，可以使打印出的工程化器官组织完全符合患者的免疫、细胞、生化和解剖学特性。这也使得该项目Matricelf一路披荆斩棘，斩获SEEDAWARD百万大奖。一项颠覆性的、系统性的创新，背后总是满载着大量前瞻性的科学研究，器官3D打印也不例外。从人造器官的机械雏形，到组织工程技术，到今天完整的生物材料3D打印技术，到潜在的工程化运用的能力，是未来能左右人类生命的重大技术壁垒，本文将从组织器官工程技术的缘起、器官3D打印的核心技术、相关产业链和未来发展趋势四个维度为读者分析起底器官3D打印技术。组织器官工程的缘起组织器官工程是一门旨在实现体外仿生组织构建的多领域交叉学科，而这门学科建立的最初目的，就是为了实现自古以来人类的这样一个设想：如果身体的某一个器官出现病症，能不能像机器更换零件一样更换器官？起初，人类开始尝试人体器官移植——年，美国医学家哈特韦尔·哈里森和约瑟夫·默里成功地完成了第一例人体器官移植手术——肾移植手术。为了避免出现身体排斥外来组织这个难题，这次手术在一对双胞胎身上进行，从哥哥处获得肾脏的弟弟因此续命了8年之久，因心血管疾病离世时，那只移植来的肾还在正常工作。默里医生也因此获得年诺贝尔生理学或医学奖。在接下去的20年里，肺、肝脏和心脏的移植手术相继被完成。而人体器官移植手术的真正推广，则要等到70年代后期，以环孢菌素为代表的免疫抑制剂被研制出来，从而使得器官移植带来的排异现象第一次能够有效被抑制。图：“器官移植之父”约瑟夫·默里器官移植技术的快速发展是上游“供应链”始料未及的。据数据显示，美国从年开始实行器官的有偿供给，截止至目前从事器官移植相关产业的注册企业超过家，人体器官市场规模超过亿美元。图：动物器官异体移植是人体器官移植之人体器官市场明显供不应求，如何为人体器官移植供应找到突破口成为了下一个关键。在生物材料3D打印技术成熟之前，科学家们曾经探索过动物器官的异体移植。年，美国匹兹堡大学医学中心开创性地将狒狒的肝脏移植给一名35岁肝脏坏死的男子，并辅以多种免疫抑制剂。这位男子在手术后可以下地走路并使用流质食物，但两个月后仍因为发烧和血液感染去世。同样是年，基因工程的崛起给组织器官工程开辟了另外一个思路，英国剑桥大学的科学家将人的基因植入猪的卵细胞后进行培养，将含有人基因的猪心脏植入猴子体内后几乎不产生排异反应；另一流派的美国研究人员则将猪神经细胞植入帕金森患者的脑部，结果患者的运动能力大大提高。但是，目前动物器官异体移植仍然处于高风险的试验阶段，除了可跨物种移植的排异问题，最重要的是生物安全性问题：某些对动物无害的病毒可能对人类确有致命影响，并通过异体移植传播给人类。目前异体移植还局限在部分组织上，比如心脏瓣膜置换术，猪作为组织供体已经被应用了数十年。图：人造器官似乎是组织器官工程的最优目前看来，人造器官是组织器官工程的最优解。自年以来，各种各样的人造器官开始进入医疗领域，特别是随着80年代末半导体技术和有机高分子化学技术的飞速发展，以“贾维克7号”人工心脏为代表的人造器官开始出现。年12月2日，美国西雅图的61岁退休牙医巴尼·克拉克接受了世界上第一例永久性人工心脏的植入手术。手术后，克拉克靠一颗由铝和塑料制成的人工心脏维持生命。这颗人工心脏名为贾维克7号，取自其发明者罗伯特·贾维克博士。贾维克7号取代了心脏的两个心室，使血液流到肺部及全身。人工心脏跳动了天后，克拉克在排异反应副作用的折磨下，死于循环衰竭和继发多器官功能衰竭。图：克拉克和贾维克博士得益于电子技术的飞速发展，年10月23日，64岁的英国退休电影制片人古德曼成为世界上第一位接受永久性电动人造心脏的人。植入的永久性电动人工心脏的设计者是美国得克萨斯心脏研究所，制造者是美国热动力心脏系统公司。电动人工心脏大小如同拳头，通过从胸部引出的导线与体外的电池组相连。古德曼手术后情况良好，但次年3月，医生发现古德曼植入的人造心脏出现故障，在对其实施了人造心脏移出手术30小时后，古德曼心脏病发作去世。贾维克7号的开发者在其后的数十年间仍在不断改进着他的发明，由贾维克发明团队组建的SynCardia公司在21世纪推出了全新的CardioWest全人工心脏。用来替代心脏的是一个气动双心室搏动泵，重克，与心脏大小相仿，2个心室泵中都采用了高柔韧度的合成材料膜将空气和血分开。年，美国FDA批准CardioWest全人工心脏作为移植前的辅助治疗措施，它也是唯一一个经美国FDA以及欧洲CE认证可进行临床应用的全人工心脏。图：CardioWest全人工心脏工作示意图但人工心脏要想成为心衰患者永久的替代装置，需要解决的问题有很多：除了因生物相容性导致长期抗凝的排异反应外，体积大、能效低和机械故障难以避免。另一重要问题关乎持续性：人造机械装置不可能长期稳定模拟心脏每天,多次的搏动而不磨损，因为它们不具备心脏的自我修复功能。因此，21世纪发展迅猛的生物工程技术，特别是组织器官工程技术，成为了人造器官的重要前沿发展方向。利用患者本身干细胞分化而来的心肌细胞修复乃至重建心脏，不仅能够避免排异反应，更能一劳永逸地解决机械故障和能效等问题。组织器官工程是目前器官移植领域的超新星技术。利用细胞的培养技术，目前的组织器官工程已经可以在体外人工控制细胞分化、增殖并生长成需要的组织，并使之工程化批量产出，用来修补或利用3D打印技术重建由于意外损伤等引起的功能丧失的体内组织，满足临床和康复的需要，并有可能对一些尚没有根治办法的疾病如恶性肿瘤、糖尿病、心脏病、早老性痴呆症、帕金森氏症、中风等疾病提供解决方案。SEEDAWARD大奖得主以色列Matricelf团队的研究背后，运用了哪些组织器官工程的相关技术？在《我们真的掌握了上帝之手吗？3D打印器官专篇（下）》中，将具体介绍Matricelf团队是如何在前沿技术积淀的基础上，攻破3D打印器官的一系列难题。图片来源网络如侵必删

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