未来黑科技
医学界近年来出现一些让人啧啧称好的黑科技。从代替缝线的胶水到用基因疗法改造皮肤，新技术层出不穷。

从实验室到临床实验，这些黑科技的研发过程通常都历经了十多年，甚至数十年。作为材料专家，我们想在这里与大家分享未来将在医疗领域大放光彩的黑科技技术——3D生物打印。

打印人体器官？真的靠谱吗？
3D生物打印成的人体器官听起来可能带有点儿“科幻”的色彩，但近年来，3D打印技术屡见报道，关注生命科学的各位可能还看过不少类似新闻。然而，请注意：现在宣称实现了3D打印器官的，基本都在“瞎吹”——这些所谓的3D打印器官并不是“活”的，也就是说根本无法达到移植的需求。这就和现阶段利用3D技术打印出来的汉堡一样，并不会有人拿来吃。
几十年来，科学家们曾一度努力尝试在实验室里培育人造器官，其好处不言而喻：诱导病人的自体细胞进行分化，可以减少器官)移植中的排斥反应。结构相对简单的器官，比如气管就是比较成功的例子。
但是，我们常常听到的“成功培育”，大多都有赚眼球之嫌。所谓的“成功从干细胞培养出肝脏”，甚至培育眼球，都只是徒有其表。不论使用何种培育方法，缺少血管始终是实验室培育人造器官)移植以来面临的大问题。

因此，种种“成功”案例并不意味着这些器官可以直接用于移植手术——器官中布满了错综复杂的血管，每个细胞距离近的血管大概只有200微米的距离，没有这些输送供给的“管道”，器官怎么可能有生命呢？

3D生物打印技术让我们距离制造“活”的器官越来越近了——从几毫米直径的动脉血管到纳米级别的毛细血管，都可以借助3D打印进行培育。
哈佛大学的科学家们已经找到了利用3D生物打印技术得到血管的方法。




这些管道被包裹在一块类似果冻一样的水凝胶材质中，还有点像一块叶脉标本，是不是很漂亮？这块水凝胶就像是细胞基质，它的化学性质和物理性质非常类似于天然的细胞环境，也是构成“打印”环境的好材料。生物墨水构成“管道”，嵌在细胞基质中。后，凝胶材质被“吸”走，只留下这些管道。这些细胞通过培养，能够在管道中被培养成血管。

近, 以色利特拉维夫大学的科学家们凭借3D生物打印技术，成功利用从病人体内提取的细胞，培育出了人造心脏。与以往不同，这个人造心脏是由人体细胞，血管，心室和心房组成，是一颗完整的心脏，具备了心脏正常工作所需的所有组成部分。虽然这只“心脏”只有兔子心脏大小，而且还不能跳动， 但它却是器官打印研究中一个非常重要的里程碑，具有非常大的意义。这个科研小组下一步将研究如何“教”3D打印出的心脏正常工作，并逐步应用于动物试验。
 
以色列特拉维夫大学用人体细胞3D生物打印出的人工心脏。照片摄于2019年4月15日
图片来源：网络

揭秘“3D生物打印”
下面让我们来了解一下3D 生物打印究竟是什么样的一种“黑科技”。
3D生物成功利用了3D 打印的技术尽可能模仿自然组织特征的3D 细胞和构建如皮肤、血管、心脏等诸多组织/器官原型。这项黑科技有非常大的潜力来解决医疗领域的难题。3D打印的生物模型不仅可作为体外病理模型，服务于药物筛选、病理研究、非动物实验化妆品测试， 也可以为医生们提供组织支架和组织贴片，用于组织的再生。终，为实现未来“器官替换”奠定了重要基础。
3D 生物打印过程中，关键的一个环节是生物墨汁的制备。生物墨汁是高分子生物材料，ECM 成分，生长因子以及生物细胞混合的液体。生物墨汁将在后续的打印过程中用累积制造工艺来精（确打造和自然组织相近的3D结构。而目前主要有三种平台技术已经用于生物打印中： Inkjet-based (喷绘)，Extrusion-based (挤制)， 以及Laser-based (镭射)。

 
Inkjet-based (喷绘)，Extrusion-based (挤制)， 以及Laser-based (镭射)等三种常用的3D 生物打印平台

默克近年来也在致力于研究用于3D打印新材料以及生物墨汁。于我们而言，3D打印材料在生命科学领域的发展大概分为三个阶段：传统材料，高级生物材料和真正的生物打印。
第（一阶段，只能利用3D打印做一些结构，但它们的功能性也不强；
第二阶段，我们将有比较成熟的技术，利用3D打印做非细胞级别且具有一定功能的材料，比如各种骨和支架；
第三阶段，真正的生物打印让我们在细胞级别进行“打印”。
 当然，这里的打印不单指打印细胞，而是打印一个让细胞可以成长的骨架，给细胞提供营养，同时让细胞们按照骨架长成我们想要的样子。要到达这一目标，“生物墨水”的研发就显得至关重要。不妨关注默克的3D生物打印材料，了解更多生物墨水的发展进程。



为了让您更能理解3D生物打印，我们特别为您开设了课程“默克化学2.0系列讲座(四)：3D生物打印知多少？”。

默克致力于推动人类健康事业的发展，旗下Sigma-Aldrich®品牌立足为新药研发的不同阶段提供完善的解决方案，其中包括：
1.药物发现阶段Protac®、DEL技术，逆合成Synthia™软件，光催化及催化剂HTS平台搭建；
2.药物递送阶段：聚合物给药技术，微流控制备技术；
3.工艺开发阶段：大包装化合物定制服务等。