1700400635
如果我们回到“3D打印生命阶梯”并上升一个梯级，我们将来到3D打印骨植入物。3D打印骨植入物与人造关节目前仍是探索性医学课题。截至目前，使用3D打印的定制钛合金人造关节的患者是幸运的（或者可以说有足够的勇气），他们接受了先进的或者说试验性的医疗。
1700400636
1700400637
绝大部分标准的聚合物或钛合金骨替代物是注塑模具。那些限制塑料或金属机器部件制造的条件同样也限制骨骼制造。例如，不同的骨骼部位必须分别注模，然后再组装起来。刚成形的骨骼需要精确的冷却条件以保证它们不会收缩或变形并保持清洁。冷却过度可能使一块新聚合物骨骼变得易碎，而冷却不足将导致骨骼太软，使用时易受到污损。
1700400638
1700400639
3D打印的钛骨植入物已获得监管部门的批准，但打印的聚合物骨植入物还没有被批准。一旦打印的聚合物骨植入物获得监管部门的批准，它们将带来新的发展，因为聚合物具有钛和陶瓷所缺乏的特性。例如，3D打印的聚合物骨骼可以注入具有生物活性的促进骨生长的添加剂和活性药物成分，如抗生素或消炎药。一个3D打印的头骨可以以无可比拟的精度喷射这些具有生物活性的化学物质。
1700400640
1700400641
2012年有一则轰动全球的新闻，一支外科医疗团队完成了一个极具挑战性的手术：他们将3D打印的钛合金骨插入一位83岁患有口腔癌的比利时妇女的下巴。医疗团队首先对她的下巴进行了CT扫描。然后埃克兹洛克设计与移植公司（Xilloc）将CT扫描数据转换成可打印的设计文件，并通过计算机算法在下颌骨上增加了数千个不规则的凹槽和空洞。通过这种方式，她的血管、肌肉和神经可以更快地与新下颌骨结合，从而完全融入她的身体。
1700400642
1700400643
1700400644
1700400645
1700400646
图7–4 一个新“出炉”的用金属粉末制造的下颌骨植入物
1700400647
1700400648
注：通过选择性激光熔融技术（金属骨泡沫）制造的具有仿生细胞结构的人类下颌骨。
1700400649
1700400650
图片来源：Fraunhofer IFAM
1700400651
1700400652
致力于高端医学3D打印技术的比利时莱尔怀兹公司（LayerWise）打印出这块钛下颌骨，方法是用激光照射钛粉，熔化3 000个精密排列的层，最后在打印的骨表面镀上陶瓷。手术几个小时以后，这位妇女就可以讲话甚至喝汤了。
1700400653
1700400654
3D打印：从想象到现实 [:1700398806]
1700400655
组织工程学：3D打印干细胞
1700400656
1700400657
“bionic”（仿生）一词由希腊词“bios”（生命）和“electronic”（电子）中的“onic”组合而成，这个词的流行源自20世纪70年代一个非常受欢迎的电视节目，主角是史蒂夫·奥斯汀，即“仿生男人”（the Bionic Man）。而史蒂夫了不起的另一半“仿生女人”（the Bionic Woman）也成功地推出，并在《仿生男人》中不定期地客串。
1700400658
1700400659
由于在体内植入了一些非常昂贵的人造部件，“仿生男人”和“仿生女人”都有超人般的力量和激光般敏锐的头脑。在这些节目播出的国家，播出时段几乎所有的小孩都乖乖地守在电视机旁。我记得我和我的一帮朋友像慢镜头似地奔跑，一边做出夸张的身体动作或假装从敌人的防线下勇敢地逃跑，一边制造出电子配音。
1700400660
1700400661
几十年前，仿生部件听起来很有前途。但未来仿生身体部位的概念将听起来有点儿原始：它们容易出现故障、不能与身体充分融合，而且不能改进，这一点与目前人工置换髋关节和膝盖的限制类似。仿生部件未来将被定制设计的3D打印组织替代。
1700400662
1700400663
如果塑料是行业青睐的原始打印材料，那么干细胞将是生物打印的宠儿。再生医学越进步越倾向于回归自然。组织工程学的未来在于3D打印干细胞，经过精确配置让它们生成活性组织。
1700400664
1700400665
干细胞是人体的原始组成部分，在制造身体部位方面，它们比我们更擅长。干细胞具有非专属性，也就是说它们不会专门地生成身体某个部位的细胞。因此，干细胞可以分化为人体中已发现的约210种细胞类型中的一种。从医学角度讲，干细胞简直就是千足金。
1700400666
1700400667
20世纪80年代，研究人员从未出生的胎儿身体组织上发现并提取了第一个干细胞，引发了有关医学伦理的争论。此后，研究人员陆续发现了更多的干细胞，包括一些分散在成人身体上不同部位的干细胞。最近，研究人员发现一些已经分化的细胞甚至能够恢复到它们分化前的状态。
1700400668
1700400669
哥伦比亚大学杰里米教授3D打印出实验兔的新型臀骨并接种干细胞。首先，杰里米和他的团队分离出实验兔的臀骨并拍照，然后将图像转换为设计文件，3D打印出人造臀骨，然后将干细胞洒在人造臀骨上并重新植入实验兔体内。4个月后，所有的实验兔都可以自如行走，有的甚至在术后几周就可以用臀部承载一定的重量。
1700400670
1700400671
杰里米和他的研究团队设计了带有细小而弯曲的微通道的置换骨，它可以促使干细胞爬到植入物的表面，从而帮助实验兔更快地愈合。在其他实验中，杰里米团队打印出实验鼠的置换门牙，撒上干细胞，并将置换物植入实验鼠的口中。9周后，由于门牙具有了理想的形状以及干细胞的注入，新的牙周韧带和骨骼接受了这一义齿。
1700400672
1700400673
无独有偶，与哥伦比亚大学杰里米教授的研究团队采用的方法类似，华盛顿州立大学的研究人员用磷酸钙、硅、锌粉制成了喷雾3D打印骨骼。细小的雾滴形成约20微米厚（人头发丝直径的一半）的薄层。研究人员在打印骨上喷上不成熟的人骨细胞。通过这种方法，不成熟的骨细胞在新环境中茁壮成长，并最终成为成熟的活性骨骼组织。
1700400674
1700400675
3D打印：从想象到现实 [:1700398807]
1700400676
干细胞、生物墨与生物纸：3D打印活细胞
1700400677
1700400678
医学词典将组织定义为“共同实现某些特殊功能的相似特性化细胞的聚集”。我们的身体由不同类型的组织构成，从脂肪细胞组成的脂肪组织到缓冲我们关节的软骨细胞组成的软骨组织，再到完成复杂网络连接的神经元组成的神经组织。软组织通过内部支撑结构保持其形状。
1700400679
1700400680
当我们可以打印出活细胞并让它们成长为活性组织时，我们已经成功地到达了所假设的“3D打印生命阶梯”的最高级。真正的生物打印如我们所定义的创造活性组织，而非无生命的替换部位。生物打印涉及如何通过3D打印机将活细胞植入正确的位置，以制造具备一定功能的不同活性组织。
1700400681
1700400682
研究人员对于“生物打印”有着各种不同的定义，随着该领域的不断发展，“生物打印”一词可能承载更多的含义。对“生物打印”的一种理解是“活墨”的使用，即内部悬浮着活细胞的可打印凝胶。当活细胞被推压至打印头时，这种特殊的“水凝胶”会对活细胞起到保护作用。一旦“活墨”被打印出来并放到合适的地方，水凝胶将保持组织所需的结构。活细胞会分泌出一种物质进入水凝胶，从而最终形成一个支撑母体。随着活细胞的继续成长，母体会发展成软骨或其他类型的活性组织。
1700400683
1700400684
将活细胞放在正确的位置有点儿像将菜园中各类蔬菜种植在正确的位置从而得到最理想的光照。所有干细胞并不是完全相同的。到目前为止，在建造“完美的菜园”使干细胞位于最合适的位置方面，自然的力量还是远远大于人类或计算机的能力。