混合捐贈者眼角膜干細胞、海藻酸鹽、膠原蛋白制成

突破 含有干細胞的生物墨水

我們都知道，當眼角膜不幸受損后，如果不能靠治療修復，想要重新看清世界，只有換上新的眼角膜，而這一過程只能靠“等”。如今有了3D生物打印的助力，苦等的人們有了新的希望，換眼角膜的幾率也會上升。英國紐卡斯爾大學遺傳醫學研究所的研究人員稱，他們用3D生物打印機和“生物墨水”成功復制了人類的眼角膜。這項技術意味著，如果未來能實際使用，或許能讓眼角膜實現無限供應。

這種生物墨水是由捐贈者眼角膜的干細胞（人類角膜基質細胞）、海藻酸鹽和膠原蛋白混合制成的。研究人員利用3D生物打印機，將生物墨水按照同心圓的“路徑”擠壓成型，從而形成人體角膜的形狀。據悉，等待人工眼角膜“新鮮出爐”的時間只有不到10分鐘。

“我們獨特的凝膠結合了海藻酸及膠原蛋白，能使干細胞保持活性。同時，‘材料’足夠堅硬，能夠保持它的形狀，但又足夠軟，能夠從3D打印機的噴嘴中被順利‘擠’出來。”紐卡斯爾大學組織工程教授切·康諾表示，世界上許多團隊一直都在尋找理想的生物墨水，為的就是讓這一過程變得可行。

康諾說這次的成功基于之前的各種嘗試，他們曾讓細胞待在類似的水凝膠中，并讓它在室溫下存活了數周。而最新研制的含有干細胞的生物墨水，在能夠打印組織的同時，省去了單獨培育細胞的步驟。而且，研究表明，干細胞還可以繼續發育。

研究人員稱他們可以“訂制”眼角膜，來滿足患者眼睛的特別需求。打印組織的尺寸是從實際的眼角膜上獲取的。通過掃描患者的眼睛，可以根據數據快速打印出大小、形狀相匹配的眼角膜。

現狀 全球角膜捐獻嚴重短缺

角膜是眼睛的外部結構，“工作職能”包括聚焦光線和保護內眼，根據美國眼科學會的資料，角膜是由細胞層構成的，這些細胞層保護我們的眼睛，同時提供清晰的視覺。角膜必須保持清晰、光滑、健康，才能有良好的視力。如果有疤痕、腫脹或者受損，光線就不能正確地聚焦到眼睛里，就會導致視力模糊或引起眩光。

當角膜不能被治愈或修復時，就只剩下角膜移植一種方法了。通常，捐贈者都是在去世后將自己的角膜捐獻或贈與給需要的人，好在這一移植不存在器官移植可能面臨的適應性問題，也就是說，眼角膜移植不需要等待“匹配”的捐獻者。不過，和器官捐獻面臨的相同困境是，眼角膜也處于“供不應求”的狀態。健康眼角膜的捐獻者并不多，而需求確實居高不下。目前，世界范圍內有1500萬人在等待手術，這些人患有可能導致眼角膜受損甚至失明的沙眼等傳染性眼病。另有500萬人因燒傷、撕裂傷、擦傷或其他疾病引起的角膜瘢痕而完全失明。

2016年的一項研究提到，全球每70個角膜患者中，只有1人可以得到角膜移植，這足以說明全球可供移植角膜數量的嚴重短缺。而3D打印眼角膜這一技術能夠增加“貨源”，借助每位捐獻者的干細胞“生產”出多個角膜，如果付諸實施，就有希望減少眼角膜的“供貨赤字”。而研究人員現在需要做的，就是確保這種打印眼角膜的“品質”——包括不會造成人體排斥，能夠正確聚焦光線等。康諾稱，為了能更有把握，距離移植的那一天可能還要再等待幾年，不過這項研究向大家展示了打印眼角膜的可行性，并且是解決角膜全球短缺的好方法。

鏈接 3D打印身體組織器官

除了眼角膜，3D打印還在其他身體部位找到了“一席之地”。3D打印技術最初是應用于模具制造、工業設計等領域，之后逐漸用于一些產品的直接制造。2017年8月，世界首臺3D人體打印機問世，它模擬身體組織和器官，使用生物墨水，讓3D打印的器官與人體更加融合，可以打印鼻子、嘴巴等各類可移植器官。

軟骨 有望能治療關節炎

2017年4月，瑞典哥德堡市薩爾格學院的研究團隊通過使用3D生物打印機打印干細胞，成功地制造了軟骨組織，另外，研究小組還能影響細胞復制、分化，形成用于打印結構的軟骨細胞。該研究刊登在了《自然》（Nature）推出的期刊《科學報告》（Scientific Reports ）上。

該研究是瑞典哥德堡市薩爾格學院與查爾姆斯理工大學的一組研究人員合作進行的，研究小組從接受過膝蓋手術的患者身上提取了軟骨細胞，在實驗室中讓這些細胞恢復活力，恢復成多能性干細胞——有潛力發展成許多不同種類的細胞。之后干細胞被封裝在納米纖化纖維素（nanofibrillated cellulose）的合成物中，并通過3D生物打印機打印成一個結構。“印刷”后，干細胞在生長因子的引導下正確分化，從而形成軟骨組織。

在自然界中，干細胞分化成為軟骨是一個簡單的過程，但是在試管中完成就要復雜得多。研究團隊的大部分工作都是尋找能讓細胞在打印、復制、分化成軟骨的過程中存活下來。該研究小組負責人，細胞生物學教授斯蒂娜·西蒙森說，他們在沒有任何動物實驗的基礎下做到了這一點，也是第一個成功的。

3D生物打印出的軟骨與人類軟骨極為相似，據有經驗的外科醫生檢查，這種人造軟骨和真正的軟骨沒有什么區別，而材料的性質與他們患者的天然軟骨相似。就像普通軟骨一樣，實驗室培養的材料含有II型膠原蛋白，在顯微鏡下，細胞看上去很完美，結構也類似于人類軟骨樣本。

如果不久的將來能夠靠利用患者自己“備份”的干細胞來生產軟骨，那么將有助于修復軟骨損傷或者治療骨關節炎，為眾多骨關節炎患者帶來福音。

腎臟 測試藥性協助透析

2016年，科學家通過3D打印技術造出了一種微小、復雜的管子，和真正腎臟的關鍵部分很相似。雖然在制造人工腎臟代替器官前還有很遠的道路，但這是研究人員首次使用3D打印技術制造出如同真品一樣的腎臟組織。這一3D打印的腎臟組織是由哈佛大學詹妮弗·路易斯實驗室完成的。該團隊開發了一種生物打印組織的新方法，使研究人員能夠打印出不同類型人體組織的復雜結構以及維持這種組織存活所必需的血管系統。這種“打印”方法使用了多種凝膠狀的“墨水”，打印之后，研究人員移除其中一種墨水，留下中空的管子，之后加入細胞，而這些細胞會發育成組織。

實驗測試表明，這種工程化組織顯示出真正的腎臟功能，尤其是能夠制造出近端腎小管，即腎臟基本功能單位——腎元的一個組成單位。腎元負責過濾血液，將有用的東西保存在身體里，排出廢物。如果能夠制造出腎元，理論上就能“制作”腎臟了，不過考慮到還要開發其中互相連接的部分，這一工程還要很多年才能實現。

材料科學家詹妮弗·路易斯說，盡管如此，打印出來的組織還是有醫學價值的，首先，這樣的組織可以用來測試潛在的藥物；另外，人造組織也可以在體外的設備中使用，協助腎臟透析，當然，開發這樣的設備也還需要幾年的時間。

本版編譯 陳小丹