3D打印是一種快速成型技術，以數字模型為基礎，運用粉末或液體可黏合材料，通過逐層固化成型的方式來構建具有復雜結構的物體。3D打印過程一般通過熔融沉積、光固化、選擇性激光燒結等技術實現，被應用于模型準備、工業設計、零部件制造等領域，從而得到汽車、建筑、日用品，甚至槍支武器等。

3D生物打印的概念提出：3D生物打印的最終目的是為了解決移植器官來源有限的問題，因為在現有的醫療手段中，一個器官的獲取要以另一個人器官的失去為前提，而主動或被動失去的器官數量又遠遠少于需要的器官。例如，中國每年需要肝臟移植的終末期肝病患者有一百萬左右，其中只有三到四千人接受了移植手術；而每年需要透析的十二萬例病人中只有二十分之一可以找到腎源。因此，研究者們開發了很多替代方案，如使用動物來源的器官或人工制造的器官等。3D生物打印機的出現，有可能解決這方面的問題，從而延續病人的生命，提高他們的生活質量。

3D生物打印機的原理：3D生物打印機的開發基于現有打印技術發明，這些技術曾被用于制造工業零部件。而生物打印機的不同之處在于，它使用了生物材料，在其中可以復合細胞、生長因子等活性成分，從而逐層構建活體組織。第一臺3D生物打印機的原型機已在2009年底由Organovo公司制造出來，2010年被《時代周刊》評為2010年50項最佳發明之一，但是該項技術還只是處于開發的初級階段。通過電腦建模程序來設計需要打印的器官剖面圖，從而精準指導隨后的打印過程。研究者在供打印的液態材料中復合從骨髓、脂肪等組織中提取出的干細胞，或不同的活性因子，通過打印頭將液體按照一定圖案打印在接收平臺上。打印頭每打印過一層，就會提升一個層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實現人造組織的成型，這一過程類似于普通3D打印在工業應用中的模型制造。生物打印機可以被置于生物安全柜中，可進行各種無菌操作。打印后的組織結構可以直接被植入患者體內，其中的細胞在生長因子的調控下，重新組合、分化，最終形成新的組織和器官。從理論上講，3D生物打印機可以使用CT等掃描技術，得到患者身體的各個部位精確圖像數據，并在隨后的短時間內3D打印出相應的組織，由于這些結構來源于病人的身體掃描，因此打印后的植入物可以完全模擬原有器官，順利地進行替換，從而減輕了植入過程對患者身體帶來的負擔。

3D生物打印的研究現狀：現在3D生物打印機的研究還處于早期研發階段，但其發展前景為大家所期待。據Invetech和Organovo兩家公司宣稱，3D生物打印技術將在五年內實現對功能性大血管的打印，十年內實現心臟或肝臟等器官的打印。由此可見，3D打印技術的成果必將給醫療界帶來一場革命。美國北卡羅來納州WakeForest大學AnthonyAtala等人使用復合細胞的水凝膠材料，逐層打印，構建出類似腎臟的結構。同時，他們在使用相同技術，打印出帶有人體細胞的支架，從而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人體器官，以達到為患者提供量身定做的器官替代品的目的。而耶魯大學的科學家們已經使用動物細胞制備出了鼠的肺部組織，可以被植入嚙齒動物體內，并在一定時間內發揮功效。東京大學醫院的TsuyoshiTakato等將人造蛋白質材料通過3D打印技術制備骨或軟骨，從而治療具有相應疾病的兒童。但是，Atala認為距離打印器官被真正用于人體疾病治療，還將會花費數年的時間，因為迄今為止的打印后植入體只具有極其簡單的結構，不能完全模擬心臟、肝臟以及腎臟等復雜內臟器官的結構和功能。

未來發展前景：現在，在3D生物打印領域取得了大量的科研突破，這些突破將使得我們在未來數年內實現3D打印器官和組織的前景越來越清晰，從而最終取代人體器官移植的應用。同時，3D生物打印技術也將被用于制藥、美容、食品、服裝等多個領域，徹底改變我們的生活。例如，未來的病人可以在自己家中利用標準化學品構建模塊，打印納米藥品，而他日常所吃的食物也來源于凝膠、明膠材料與脂肪等食品添加劑的混合打印，所穿的衣服則來自網絡下載模板后的量體打印。

（中科院遺傳與發育生物學研究所供稿）