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打印人造身体部位
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如果没有针对身体部位的设计软件，当今人们怎么能够打印牙齿和骨骼替代物呢？进行钛下颌置换手术的外科医生怎么能够3D打印出置换下颌的精确形状呢？答案很简单。他们CT扫描患者身体，将捕捉的图像数据形成一个文件，然后将图像文件转换为可以进行3D打印的文件格式。
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由于计算能力大幅增强以及新图形算法的出现，医学成像技术让我们能够比以往任何时候更密切地关注身体内部。医学扫描透过表面，可以看到器官内部并描述其软、硬组织，气室、磨损和堵塞情况。作为历史最悠久、使用最广泛的医学成像技术，X射线通过电磁波能够透视身体。
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超声波是另一种广泛使用的成像技术。超声波像蝙蝠在黑暗中导航一样，通过搜寻从器官反弹回来的声波判断它的形状与表面细节。另一种广泛采用的成像技术是医用核磁共振成像（MRI），其原理是磁化人体内水分子的质子，并将其产生的振动转换成器官和软组织的高清晰度图像。还有一种成像技术称为正电子发射断层造影术（PET），其原理是检测患者吞下或注入患者体内放射性物质的γ射线，并通过γ射线摄像仪对其进行捕捉。
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如果你看过有关医学犯罪的电影，或看过自己的MRI或CT扫描图像，你可能会注意到医学图像并不是一张图片，而是由几十个图像组成，它们分别描绘了身体某个部位的一个横截面。核磁共振和CT扫描等医学图像会用上百个灰色阴影描绘身体：骨骼显示为白色，软组织类似于阴天时天空中细微的颜色变化，空隙（如肺部内侧）则显示为纯黑色。
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在医学成像中，不同类型的细胞有相似的物理密度，在图像中会出现相似的灰色阴影。这些混乱的灰色阴影是将图像数据转换成可3D打印的文件格式的一大障碍。不管怎样，医学图像中的细微阴影必须被解码，才能在计算机设计文件中建模。
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白—灰—黑的渐变并不能为3D打印提供足够的信息，因为复杂的身体结构涉及多种细胞类型，而它们的外观相似，容易混淆。计算机越来越能够区分细微图案，即使是最细微的图像变化，所以还是大有希望的。将灰度图像转换为清晰而有意义的数字数据仍是医学成像研究的主要领域。然而，尽管存在这些限制，医学研究人员和外科医生还是成功地3D打印出各种准确而精密的人造身体部位和外科手术模型。
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生物打印的未来
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很多人由于患有疾病、先天性缺陷或意外受伤而需要替换新的身体部位，50岁以上的人可能有一半使用了替代的椎间盘。尽管需求量很大，但可替换的身体部位很难找到，而且费用高昂。根据美国器官资源共享网络（UNOS）的数据，只有1%~2%的人死前会成为潜在器官捐献者。即使是世界上最富有的人之一史蒂夫·乔布斯也不得不等待他的胰脏捐献者，然而不久便辞世了。
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如果干细胞是生物打印的原材料，3D打印复杂的血管系统仍然是组织工程学需要攻克的难关，相当于“四分钟跑一英里”的极限。2004年，南卡罗来纳医科大学研究人员写道：“血管化3D软器官的组装仍是一项巨大的挑战。”几年后，情况依然如此。
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《科学》杂志上的一篇文章充分证明了这一点：
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如果没有血管系统—提供养分并带走废物的高速路，3D器官结构中的活细胞将迅速死亡。通过几层细胞成长起来的薄组织没有这个问题，因为所有细胞能直接获得养分和氧气。因此，生物工程师们在探索如何3D打印含有大量活细胞的原型组织。
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尽管有可能3D打印活性静脉，但是仍然不能完成整个工作。与人造软骨需要经过生物反应器的冲击后才能从培养皿中取出放入成熟的组织中一样，高度血管化的身体部位即使可以打印，也不能直接植入人体，而是需要它直接在体内生长。新的动脉和静脉需要与身体现有的动脉和静脉融合在一起。
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威克弗里斯特大学再生医学研究所詹姆斯·刘教授描述了这一挑战：“我们怎样才能连接在体外制造的组织呢？不管将什么放入体内都必须与人体的血管、血液供应和氧气相连，这是我们在处理较大器官方面面临的挑战之一。”
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致力于未来生物技术的研究人员已开始着手研究这一方面的解决方案。与其他医疗人员一样，斯坦福大学博士后亚瑟·善雅尼（Yaser Shanjani）也认为3D打印和设计软件是医学研究的重要工具。他说：“我相信，未来的工程组织学将与3D打印实现令人难以置信的融合。”亚瑟专攻打印骨移植物，用专业术语表达就是“3D打印生物吸收性无机高分子材料”，并将其最终植入患者体内。
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亚瑟认为，全面融合了3D打印技术、设计软件与人体自身生长因子的方法是最具前景的方法。在他整个研究生研究阶段，亚瑟曾与由生物学家、外科医生以及材料与制造专家所组成的跨学科团队合作。他解释道：“一个理想的骨植入物是经过精心设计的骨结构，它模仿了自然组织的几何结构、微结构与力学特性，并将最终取代自然组织。”
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我问亚瑟，如果有人给他几百万美元推动生物打印的发展，他将怎样利用这笔资金？他立刻斩钉截铁地回答：“我会用一部分资金学习打印由生物制剂（如干细胞和生长因子）培养成的植入材料制成的器官。接下来，我希望在操作室中添置这种真实的打印机。然后，最终理想是将微型机器人放置于患者体内，并在其体内打印新的器官。”
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在人体内直接打印活性组织和新器官将是医学界的一个根本性突破。在人体内进行打印的方式可显著提高战场上受伤士兵以及急诊室里事故受害者的生存概率。在不是十分紧急的情况下，打印精确形状活性组织的能力将开启崭新的医疗和外科培训领域，并将促进药物开发新方法的诞生。
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定制打印人造组织或小型器官将成为非常有用的研究性临床测试。人造组织可用于疾病研究，或将干细胞培养成为成熟的、分化的细胞。与使用小白鼠或培养皿（都是粗略地近似人体）进行新药测试相比，如果使用患者的细胞3D打印出人造的小型器官，那么我们将能够更准确地判定某一种药物的效果以及它所产生的副作用。
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3D打印人造小型器官可以帮助培训年轻的外科医生。尸体长期以来一直是这种培训的载体，但这也存在一些问题，大多数教学医院为学生提供的尸体是随机分配的。换句话说，对于为了科学而同意捐献遗体的人，他们的死因往往与教学课程或特定的研究项目并不匹配，这着实是一件令人沮丧的事情。
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随机选取尸体对于入门级教学课程来说还能应付，然而对于要深入钻研具体专业的高年级学生（和医学研究人员）来说，这种“一刀切”的方法则限制了他们的选择。例如，如果一所医学院希望培训学生怎样进行脑肿瘤手术，它将面临一个难题，甚至可以说是一项不可能完成的任务，就是如何在法律许可的情况下获得一些刚刚死亡的脑肿瘤患者的尸体。
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在我们能够3D打印精确的身体状况之前，医学院只能继续寻找其他方式。即使在具备条件的医院里，接受训练的外科医生也只能进行一些技术含量低的操作。我在参观一所大型教学医院时，一名教学人员向我展示了他们如何训练学生做心脏搭桥手术。教学人员将一件衬衫撕下两片塞进一个封闭的盒子中，要求学生通过盒子一侧的小孔使用手术工具将它们缝合在一起。
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3D打印机可以按照需求制作特殊的外科手术教学模型。打印的教学模型可以精心设计，模仿身体组织、器官甚至完整部位的特点。在真正的生物打印成熟之前，医学院可以通过这种方式打印出“仿制”部位，不仅模拟了实物的外观和感觉，并且满足主要特征和病理需求。
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目前医疗已经使用了3D打印的骨骼或器官手术模型。在手术计划或手术建模中，即手术前的“带妆彩排”，外科医生会使用与他们将要进行手术的骨骼或器官同尺寸的真实的“练习部位”。为了减少手术的时间和避免潜在的风险，外科医生会练习组装、推进甚至将这些“练习部位”组合在一起。手术模型还可以帮助外科医生向患者家属解释手术程序。
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