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组织工程学：3D打印干细胞
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“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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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干细胞、生物墨与生物纸：3D打印活细胞
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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。
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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。
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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。
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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。
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利用“活墨”3D打印软组织的主要优点之一是打印机可以将细胞喷射成精确的图案与形状。采用多个打印头的打印机可以更好地进行打印，每个打印头可填充不同的细胞类型。因此，一个打印头可以打印一种类型的细胞，而另一个打印头可以打印不同材质的水凝胶。通过借鉴多材料3D打印概念并将其应用到生物世界，研究人员向构建能够模仿自然的复杂形状、内部结构以及细胞多样性的人造组织这一目标又迈进了一大步。
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将细胞放在正确的位置是一个挑战，另一个挑战是确保细胞的放置可以使其最终形成正确的形状。细胞的位置和生成组织的形状是器官实现功能的关键。生长因素也要打印并加以考虑。
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例如，心脏组织要求高细胞密度以确保心脏有规律地跳动。如果植入人造心脏组织支架上的细胞不是紧密相连，将造成不规则的心跳。由于组织的设计是基于计算机的控制，利用“活墨”生物打印的组织将是精确的，并且可以重复设计。
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最后，另一个人类尚未解决的问题是活细胞需要一个“启动”按钮。目前，尽管研究人员可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置，但是仍然没有人准确地知道如何启动种子细胞。自然知道如何让一个器官开始运作，但我们仍不知道。
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美国密苏里大学和耶鲁大学组成的一个研究团队创造了词汇“bioink particles”（生物墨粒子：多细胞球体）和“biopaper”（生物纸：生物兼容凝胶）。在《自然》杂志的一篇文章中，美国密苏里大学的研究人员加博尔·弗加斯（Gabor Forgacs）教授介绍了他的方法：“将你的细胞交给我们，我们培育它们、打印它们，结构一旦形成，我们就准备好了。”
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他的团队使用的是一台定制的3D打印机，最初是用来制造微电子：
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打印机有三个打印头，每个打印头都由连接的计算机控制，像普通打印机可以放入墨一样，这台打印机可以放入细胞球体。
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两个打印头打印出组织细胞（包括心脏和血管内皮细胞等的混合物），而第三个打印头打印“间隙填充物”（如胶原蛋白）以暂时填充空间直到与其他细胞融合。因此，为了制造血管，细胞被铺开，其中加入胶原蛋白，而之后胶原蛋白将被提取出来为血液让路。
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要理解为什么生物打印具有如此大的潜力，我们可以简单地把它与组织工程学的现有方法进行比较。
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