文/薄三郎
對醫療界而言，3D打印技術更像是一個前所未有的造物新紀元，它預示著一場醫學新革命或將來臨。從仿真醫療模型、生物醫療器械，到更具個性化的移植組織或氣管、更具潛力的生物高分子材料，都將聚攏於3D打印麾下。不過，以3D打印為代表的生物打印技術，就像20世紀末的克隆技術一樣，帶來的將是生物倫理挑戰，這也將比眼下的干細胞所引發的爭議更為復雜。
最近，首屆世界3D打印技術產業大會在北京召開。主題是“科技創新推動生產方式變革”。
在2013年過半之時，3D打印技術已毫無疑問成為年度科技熱詞。
盡管二十余年前，3D打印技術這一概念就已被提出，可它似乎在今年突然爆發了。胡迪·利普森、梅爾芭·庫曼合著的《3D打印：從想像到現實》一書中提到，“人猿相揖別， 是因為古人能夠手工制造工具。今人區別於古人，是因為能夠使用機器制造工具。人類進化至今，一個嶄新的文明標志就是能夠用機器制造機器。從狹義上說，當前被賦予無限想像力的3D打印機就是這種能夠制造機器的機器。”
顯而易見，3D打印是人類控制能力極限的挑戰和展示。3D打印這一技術，猶如哈利·波特手裡的魔杖，使人類所想變為現實。你需要一把功能強大的錘子？你需要一雙精致無比的鞋子？你需要給孩子准備奇異的玩具？你需要一頓精美的晚餐？……只管打印出來就行了。
對醫療界而言，這更像是一個前所未有的造物新紀元，它預示著一場醫學新革命或將來臨。從仿真醫療模型、生物醫療器械，到更具個性化的移植組織或氣管、更具潛力的生物高分子材料，都將聚攏於3D打印麾下。
更真實的教學
3D打印在醫學界的最直接應用，便是各式各樣的器官或組織3D模型構建。這使得原本枯燥且抽像的醫學知識，變得具體而細微。更為立體的醫學模型，將使醫學生的學習變得輕松一些。6月4日，英國《每日郵報》刊登了一組酷似科幻大片的3D圖片，令人著實大開眼界。
這些照片通過新穎且極具創意的方式，將人體內部構造通過真實豐富的細節展示出來。這些具有3D效果的圖片，正是3D打印技術的前奏。來自美國康涅狄格州的XVIVO工作室(www.xvivo.net)的動畫師將人體內耳、骨髓、腸道免疫系統放大許多倍，隨後利用電子顯微圖像等技術，再現分子狀態下的人體快照圖。XVIVO工作室的邁克爾·阿斯特拉罕說，“美學上鼓舞人心的藝術，才能真正地打動人。這一意義深刻、令人振奮的旅程不僅有助於獲取知識，也讓枯燥且無新意的教科書重獲新生。”
我想起在醫學院學習時，必須完成局部解剖學的課程學習。說得直白一些，一個學習小組(通常5個人)需要一個學期的時間，將一具完整的人類屍體標本解剖完畢——從頭到腳，從裡到外，不能遺漏任何一個解剖結構，還必須熟知走行關系(器官間的相對位置關系)。可是，珍貴的解剖標本屬於不可再生資源，有時只能對照圖譜死記硬背。此時，如果能有一具3D打印的解剖標本，不但立馬緩解資源緊張的局面，還能做到人手一具，學得又快又好。
3D打印的器官模型，已經出現在醫院裡。拿心髒為例吧，這台人體“發動機”是一個非常復雜的器官， 為幫助外科醫生更好地了解疑難並發症患者的心髒解剖結構，美國國家兒童醫學中心的兒科心髒病學家勞拉·奧利弗裡近日打印出一個心髒模型。通過使用CT掃描患者心髒圖像，利用一部價格約25萬美元的3D打印機，她制造了一個真實復制患者疾病的心髒模型。
3D生物打印
3D生物打印機如何工作呢？它需要生物墨水，而最有可能成為墨水的便是人體細胞。首先，研究者將從人們的骨髓或脂肪中提取出干細胞，通過生物化學手段，使它們分化成不同類型的其他細胞。隨後，這些細胞將被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”裡可能包含1萬到3萬個細胞。當3D生物打印機開動時，“墨粉”將通過打印頭聚攏在事先設計的部位上，打印器官的雛形便逐漸顯現。
在開動3D生物打印機前，還必須完成器官的結構設計，這猶如一幢大樓的設計圖紙。為了打印出與目標器官形狀、大小及內部結構相近的3D器官，必須事先通過三維成像或超聲的方法，對人體器官進行精確的測量。
當3D生物打印機工作時，每一滴“墨粉”出現在適當的部位後，必須通過特定的生物膠水固定。就像辦公用的彩色打印機一樣，3D生物打印機的“墨盒”裡也會豐富多彩。盡管都是人體細胞，有的將特定用來打印肝髒或腎髒細胞，有的則是制造血管——用於連接打印好的肝髒或腎髒組織。
當3D打印器官初具模樣時，“墨粉”和膠水的粘合還不夠牢固，它不能被立刻使用，還需進一步的修飾過程。此時，這一被3D打印機創造的器官將被放入特定的培養箱裡，在各類細胞生長因子的刺激下，實現組織結構和生理功能的完整，直至符合人體移植的要求。
器官移植新紀元
2011年TED大會上，美國維克森林大學的研究員安東尼·阿塔拉是一位重量級人物。他展示了3D打印腎髒的技術。
盡管這一研究非常初步，但他認為，“毫無疑問，有一天——也許通過一代人的努力，你可以擁有一個由你自身細胞組織制造的腎髒，這是不是很神奇？”
普林斯頓大學的研究者，最近則制造出一只耳朵。研究員邁克爾·麥卡爾首先利用3D打印技術打印出細胞與納米粒子。然後，將它與一小卷天線和軟骨組織結合起來，制造出了一只“仿生耳”。這只耳朵功能齊全，能聽到超越人耳聽覺範圍一百萬倍以上的電波頻率。
3D打印，方興未艾。大部分研究者只是在實驗室裡搗鼓這一技術，以能制造出特定器官或組織為榮。極少數研究者勇敢地向前一步。5月底，美國《新英格蘭醫學雜志》報道了全球首例3D打印器官人體移植手術，引發不少研究者與生物投資者關注。密歇根大學公共醫療中心通過3D打印技術，制造了一段人工氣管，移植入一位只有六周的美國嬰兒體內。
這位名叫Kaiba Gionfriddo的男嬰患有先天性的氣管發育缺陷。由於氣管受到壓迫，逐漸出現呼吸困難，等待他的很可能是呼吸停頓，最終缺氧死亡。為了挽救他的生命，該所大學的生物醫學工程師大衛·措普夫，通過計算機設計了一條適合Kaiba的氣管支架模型，隨後將具有熱塑性的生物可吸收材料作為墨水，最後打印出一百條細小管道。然後，通過電腦激光技術，堆砌出一層層不同形狀和體積的塑料薄層，從而制造出一段人工氣管。
改變人類醫療史
“再生醫療是一個飛速發展的科技領域，肩負著改寫人類醫療史的重任。”這是美國 Organovo 公司網站的一句話。
我們更無法想像一百年後的醫療世界，最可能的是，3D生物打印也將成為一種普遍的醫療模式。通過3D打印技術制造器官，不但可解除移植器官資源緊缺的難題，也將對藥物開發產生深遠影響。
目前，藥物研究大多需要各種級別的動物實驗和人體試驗。在未來，通過 3D 打印的模式器官來檢測藥物試驗效果，不但有利於縮短臨床藥物研發周期，還將可能避免潛在的人體試驗損害。有專家估測，如果藥物生產商采用3D打印器官進行藥物開發或試驗，平均每種藥物可節省上億美元研發費用。不過，以3D打印為代表的生物打印技術，就像20世紀末的克隆技術一樣，帶來的將是生物倫理挑戰，這也將比眼下的干細胞所引發的爭議更為復雜。
3D生物打印並非一勞永逸。由於人體組織的復雜性，器官構建絕不是生物打印材料的有序堆積而已。目前，研究者已能打印出結構相對單一的器官，比如氣管、血管。三年前，Or ganovo公司已成功制造出動脈，並希望在5年內實現人體移植。對於牙齒、骨骼和心髒等更為復雜的器官，需要的研究時間將更長。