最近3D列印很熱，似乎一夜之間什麼都能用3D列印了，原子筆、螺絲釘、高跟鞋、電路板……在人體組織領域，3D列印也是捷報頻傳，2月5日發表在Biofabrication上的文章表明列印人胚胎幹細胞球不是問題了，2月15日發表在Plos One上的文章表明列印人工耳朵也有可能了。那麼人工組織究竟是如何列印的？真的什麼都能列印麼？3D列印人工組織有什麼新的商業模式正在探索？本文圍繞上面三個問題進行展開。
基於閥的技術
列印人體組織的過程和列印原子筆還是很不一樣的。列印原子筆時以液態或粉狀的物質為原料，將原料化了再融融了再化，一層一層地疊加形成產品[1]。可是生物組織不是均一的，組織由細胞和細胞外基質構成，組織中有血管和神經穿行而過，細胞的種類、密度和分布決定了某個微環境的功能。所以3D列印也得按這個邏輯來進行，先得有個支架，通常由膠原蛋白所構成，然後把培養好的細胞按一定密度一行一行、一層一層地以液滴的形式滴在支架上。這就是最早的"細胞印表機"的運行模式，它參考借鑑了噴墨印表機的原理[2]，是由克萊姆森大學（Clemson University）的Thomas Boland及其同事於2003年提出的[3-6]。此後全世界的組織工程研究者都嘗試著改進這一技術，其中最重要的一項改進就是"基於閥的技術"[7-8]。
有了噴墨式細胞印表機，人造組織這事看起來還是蠻簡單的。但是3D列印的重任是按預先設定好的形式按一定密度將細胞放在有需要的地方，但現實常常事與願違。因為膠原蛋白很粘稠，不用較大的壓力推，它就掉不下來，但細胞又很脆弱，受不了熱和壓力的折磨，你用熱和壓力折磨它越久，最後得到的越可能是一些命懸一線的細胞，低細胞活度、細胞功能喪失和膠原蛋白液體阻塞這些問題都是噴墨式印表機的軟肋。所以，研究者就在形成液滴的"噴嘴"上改造出一個閥門，通過計算機控制其開關，並在培養細胞上方施加恆定壓力的氮氣。氮氣除了提供了壓力，還提供了低溫環境（5度），讓粘稠的膠原蛋白呈液態而不凝固。當一層細胞鋪好後，再在37度下孵育5分鐘，等待凝膠的形成。這樣，這些問題基本上都解決了。
腎臟能列印麼
最近的一篇研究報導就是採用上述改進後的細胞印表機來完成的。2月5日，人胚胎幹細胞球列印這項工作表明[9]：基於閥的列印技術已相當溫柔，像人胚胎幹細胞要求那麼苛刻的細胞都可以被列印，而且還保持了細胞活力和多能性。對液滴的控制也到了相當精確的程度，每一液滴不超過2 nL，或每一液滴中細胞數不超過5個。作者還吐槽了一下其他技術的缺點：雷射列印精確可信賴，可是過熱問題會損傷細胞；噴墨列印廉價易用，但容易堵塞剪切力還會傷害細胞；電流體力學噴射列印可連續可分裂，但液滴大小和分布不好控制；基於聲音的列印避開了噴嘴也就遠離了堵塞問題，可是還是會過熱……
這一報導發表後沒幾天，2月15日，又用3D列印出了人工外耳[10]，這一技術是為了讓小耳畸形患者有一個和正常人一樣的耳朵。從文中的圖上看，和真正的耳朵極像，說不定將來的模型還會更漂亮，還有天然的耳洞。此耳朵的生產過程也和上文描述的過程類似，都是在支架中填充細胞。但是作為一個移植物，它還面臨一些挑戰。是否會引起免疫排斥？文中使用的是免疫抑制的宿主，但用到正常人身上時，一旦發生免疫排斥，人工外耳在免疫系統的攻擊下迅速降解，不但遠離了初衷，還給患者帶來了新的困擾。當然還是有解決的辦法的，從理論上講，使用病人自身的軟骨細胞或源於骨髓或脂肪的間充質幹細胞可以消滅這一隱患。還有一個問題是，如果試驗時間更長，如6個月到1年（文中是3個月），人工外耳是否會降解呢？讓我們拭目以待。
值得一提的是，除了人胚胎幹細胞球、人工外耳，目前能列印的東西還包括人工血管和心肌組織等（報導於2008年）。這些組織的共同特點是相對而言比較簡單，構成的細胞種類也很少。但如果是一個複雜的器官，比如腎，目前的技術就難以勝任了。只能說"當你需要移植腎時，將會獲得一個為你量身定作的3D列印的腎"這樣的願景離我們越來越近了，但目前尚沒有成功案例。
新的商業模式
除了作為替代的器官，3D列印的人工組織還是很好的藥物篩選平臺，用於安全性和有效性測試。作為領先和屈指可數的3D列印商業化公司，Organovo已經馬不停蹄地開始開拓它的第二個市場，將它們的3D列印產品賣給製藥公司和研發外包組織。一方面動物模型確實並不總是給力，2月7日發表在PNAS上的一文題名即為：小鼠模型不能很好地模擬人類炎症疾病[11]。另一方面，研發人員又期待有更好的模型。Organovo的副總裁Renard先生說："我們相信市場已經意識到了，在藥物開發的早期，需要更好的模型。科學家們說，如果你能夠向我證明，你的模型是生理相關和可預測的，我將會採用它們。當我們將我們生產的組織展示給科學家們看，告訴他們組織的構造、排列、細胞外基質的生產過程、組織內細胞的生化代謝時，他們都非常得興奮"。[12]（生物谷Bioon.com）
Reference：
1. http://www.ted.com/talks/lisa_harouni_a_primer_on_3d_printing.html
2. http://baike.baidu.com/view/134262.htm
3. Roth, E.A., T. Xu, M. Das, C. Gregory, J.J. Hickman, and T. Boland. 2003. Inkjet printing for high-throughput cell patterning. Biomaterials 25:3707-3715.
4. Mironov, V., T. Boland, T. Trusk, G. Forgacs, and R.R. Markwald. 2003. Organ printing: computer-aided jet-based 3-D tissue engineering. Trends Biotechnol. 21:157-161.
5. Boland, T., V. Mironov, A. Gutowska, E.A Roth., and R.R. Markwald. 2003. Cell and organ printing 2: fusion of cell aggregates in three-dimensional gels. Anat. Rec. 272A:497-502.
6. Wilson, Jr., W.C., and T. Boland. 2003. Cell and organ printing 1: protein and cell printers. Anat. Rec. 272A:491-496.
7. S. Moon, S.K. Hasan, Y. S. Song, F. Xu, H.O. Keles, F. Manzur, S. Mikkilineni, J.W. Hong, et al. 2010. Layer by layer three-dimensional tissue epitaxy by cell-laden hydrogel droplets. Tissue Eng Part C Methods. 16:157-166.
8. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2562495/
9. Faulkner-Jones, A., Greenhough, S., A, K.J., Gardner, J., Courtney, A., Shu, W., 2013. Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates. Biofabrication 5: 15013
10. Reiffel, A.J., Kafka, C., Hernandez, K.A., Popa, S., Perez, J.L., Zhou, S., Pramanik, S., Brown, B.N., Ryu, W.S., Bonassar, L.J., Spector, J.A., 2013. High-fidelity tissue engineering of patient-specific auricles for reconstruction of pediatric microtia and other auricular deformities. PLoS One. 8: e56506.
11. Seok, J., Warren, H.S., Cuenca, A.G., Mindrinos, M.N., Baker, H.V., Xu, W., Richards, D.R., McDonald-Smith, G.P., Gao, H., Hennessy, L., Finnerty, C.C., Lopez, C.M., Honari, S., Moore, E.E., Minei, J.P., Cuschieri, J., Bankey, P.E., Johnson, J.L., Sperry, J., Nathens, A.B., Billiar, T.R., West, M.A., Jeschke, M.G., Klein, M.B., Gamelli, R.L., Gibran, N.S., Brownstein, B.H., Miller-Graziano, C., Calvano, S.E., Mason, P.H., Cobb, J.P., Rahme, L.G., Lowry, S.F., Maier, R.V., Moldawer, L.L., Herndon, D.N., Davis, R.W., Xiao, W., Tompkins, R.G., 2013. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proc Natl Acad Sci U S A. 110: 3507-12.
12. http://www.genengnews.com/insight-and-intelligence/bioprinting-in-3d/77899769/