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图片来源：Daniel Cohen and Larry Bonassar
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3D打印有望制造人造软骨。在康奈尔大学，我与丹尼尔·科恩、拉里·博纳萨3D打印了羊的半月板。首先，我们对羊的膝关节进行了核磁共振成像扫描并将图像数据形成一个设计文件。其次，我们从羊身上提取了活细胞，并搅拌进医疗性水凝胶。最后，我们通过一个3D打印机打印头（相当于一个注射器）对凝胶混合物进行挤压。在后来的研究项目中，拉里3D打印出真正的人耳软骨，它的设计文件来自对外耳的光学扫描数据。
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人体是复杂的，就连制造一个像软骨这么简单的组织也是一个复杂的过程。虽然可以3D打印出活性软骨，但这也只成功了一半。我们还没有解决第二个更关键的挑战，我们的关节是用来做苦力的。在人造软骨被移植到体内之前，需要增强其韧性和适应性。因此，软骨在被植入前必须在研究实验室内进行机械应力的实验。
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就像一个被宠爱的孩子一样，人造软骨在有盖培养皿中享受着特权生活而无须面对现实生活的无情冲击。在没有外部压力的情况下，比如游泳或打网球，人造软骨会保持松弛和脆弱。如果人造软骨在未加固前植入膝盖，很快就会被压扁到不成形。当我和丹尼尔、拉里向一些专业的外科医生展示我们的第一批3D打印羊软骨时，他们很快就否定了它们，因为他们发现打印的软骨太脆弱了，甚至不能承受简单的缝合。
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研究人员正在寻找这个问题的解决方案，一个可行的方法是将人造组织放在一个生物反应器中以模仿真正的组织成熟方式。为了使生物打印软骨能够投入实际应用，也许可以通过水凝胶材料的进步解决这个问题。另一种可能的解决办法是在生物打印软骨的初期，创造性地运用其他压力来源（比如光、热或声音振动）。的确，软骨也需要“严格的磨合”。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398809]
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打印心脏瓣膜
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软骨可能是一个相对简单的活性组织，但有些类型的软骨却更加复杂与关键。例如，如果你的膝盖或肘部的软骨受损，你可以继续生活（虽然会有阵痛），但是如果你心脏瓣膜中的软骨不工作了，那么你死于心血管疾病的风险将增加50%。
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没有器官比心脏更重要。心脏是由肌肉、血管和软骨组成的，它们在射向整个身体的电脉冲所精心设计的复杂程序里共同协作。一个人每天平均心脏跳动近10万次。事实上，心脏每年要承受自身的冲击约8 000万次，平均一生约50亿~60亿次。
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医学上最棘手的心脏部位之一是薄薄的纤维瓣膜。人的心脏被瓣膜分成四个心腔。心脏瓣膜就是在血液从一个心腔流向另一个心腔时，为控制血流方向而精确地进行开关闭合的单向通道。如果这些瓣膜不能正常工作，患者的心脏最终将走向衰竭。据美国心脏协会报告，每年有500万美国人被诊断出患有心脏瓣膜疾病，而心脏瓣膜缺陷是一种常见的先天性疾病。
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心脏瓣膜非常小，新生儿的心脏瓣膜有10美分硬币大小，成人的也只有25美分硬币大小。血液必须按照一个方向进行脉冲。如果心脏瓣膜出现机械性不足，它就会开始慢慢泄漏，有点儿像一个企业中由于一名不称职员工的偷工减料，最终导致几个重要职能部门慢慢瓦解。如果瓣膜增厚或变得僵硬也可能导致心脏衰竭。
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也许有一天3D打印的心脏瓣膜可以解决这一切。美国康奈尔大学的乔纳森·布彻教授是生物工程人造心脏瓣膜领域的主要研究人员之一。我去康奈尔大学生物工程学院拜访了乔纳森，这个学院位于一个崭新的白色大理石建筑中，冰冷的石头地面放大了脚步的回声。整个气氛太肃静了。接待区超大的四方中厅会让到访者感到空旷，而显得人类是那么渺小。
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乔纳森的办公室与刻板、空旷的环境形成了一定反差。两幅多彩的油画为办公室增添了温暖，这是乔纳森班上一名本科生送给他的礼物。乔纳森告诉我：“这名学生画的是从不同阶段的鸡胚胎中分离出来的心脏。”我请他解释一下现在人造心脏瓣膜面临的挑战。他说：“目前外科医生更换心脏瓣膜有两种方法，其中一种是机械心脏瓣膜或者牛或猪的瓣膜，把它们像一张软皮一样清洗干净。”
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目前可获得的心脏瓣膜无论是机械的还是动物的都存在严重缺陷。一个机械心脏瓣膜的好处是它被植入后能维持很长一段时间。然而，一个机械心脏瓣膜可能产生血块，脱落后可能进入大脑。这就是为什么使用机械心脏瓣膜的人必须服用稀释血液的药物，这就引发了另一方面的医学挑战，以及对职业与生活方式的限制。
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图7–6 3D打印人造心脏瓣膜
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图片来源：Jonthan Butcher, Cornell University
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来自动物（通常是猪）的心脏瓣膜不需要血液稀释剂，但无法维持很长时间。移植的动物瓣膜不足以支撑年轻患者的长期身体活动。此外，无论是机械的还是生物衍生的人工心脏瓣膜都不能与它们的机体共同生长，这就意味着使用者必须重复进行心脏手术以植入越来越大的瓣膜。
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乔纳森解释说，未来某一天外科医生将用一种全新的方法挽救患者的生命：为患有先天性缺陷的孩子直接植入一个3D打印的全新的心脏瓣膜。乔纳森认为，这个解决方案的关键部分是破解胚胎中的干细胞是如何发育成成熟的心脏瓣膜细胞的。乔纳森相信，如果他能深入了解这个成熟过程，他将向未来生物打印功能健全的人造心脏瓣膜迈进一大步。
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乔纳森的研究目的是破解生物打印的三大难题。首先，他要解决老生常谈的“严格的磨合”的问题。与关节软骨一样，打印的心脏瓣膜必须放在生物反应器中“稍稍捶打”才能够正常工作。
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乔纳森正在尝试以单一的“打印任务”完善多种不同类型干细胞的生物打印的方法。为模仿大自然将许多不同类型的细胞组成精确而具有一定功能的形式，乔纳森一次使用多个打印头进行“活墨”3D打印。为了一次生物打印不同类型的干细胞，乔纳森改装了一台具有多个打印头的Fab@Home生物打印机。
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最后，因为生物打印的定义是多材料打印，乔纳森正在开发一种软件，可以设置多个打印头的运作，而每个打印头中包含不同的细胞类型。他说：“一台3D打印机可以按照设计文件的指示打印一种类型的材料。所以我们必须发明一种软件算法，使一个设计文件管理多打印头的3D打印机，从而使我们能够一次打印多个不同类型的细胞。”
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乔纳森的主要关注点是为准备生物打印的干细胞定义最佳的形状。由于心脏瓣膜上的细胞必须紧密排列在特定位置才能工作，因此细胞定位是至关重要的。干细胞就像勤奋、自主的员工一样，它们只是需要恰当的工作环境。“把一个干细胞想象成一只工蜂。”乔纳森解释，“如果你能够找到一种方式将某种类型的干细胞准确地打印在组织的正确位置上，就好像让一个干细胞走进一间空的办公室，然后开始自己寻找需要做的工作。”
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随着乔纳森等研究人员不断破解3D打印活性组织的奥秘，我们希望器官移植的风险在未来完全消失。3D打印来自患者自身的干细胞的美好之处在于患者的免疫系统会更容易接受打印的替换器官。与人工心脏瓣膜使用者服用的血液稀释剂一样，使人衰弱的免疫抑制药会引发一系列副作用，而由一个孩子自身干细胞打印的心脏瓣膜植入物将能够与身体共同生长并自我修复。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398810]
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我们能设计、打印自己的身体吗