應(yīng)琛

電影《王牌特工》中有這樣一幕：特工哈里頭部中槍倒地，被帶回基地?fù)尵?，搶救方法是一?xiàng)黑科技：先把哈里的頭包起來，注入抗震水凝膠并用納米技術(shù)修復(fù)頭上的傷口，最后他成功復(fù)活。

“這個橋段觀眾們都吐槽有些無厘頭，也與當(dāng)前的醫(yī)療發(fā)展程度嚴(yán)重不符，但我想，未來的臨床治療和急救場景一定會和電影中的場景類似，是十分便攜、快速、智能、高效的方法。” 浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師賀永在第34期“科學(xué)Talk”上作了題為《生物3D打?。簭钠鞴倌Ｐ蜆?gòu)建到組織修復(fù)》的分享，介紹了其課題組近年來在生物3D打印領(lǐng)域的最新研究成果，包括生物墨水設(shè)計(jì)、同軸擠出式打印、投影式光固化打印等先進(jìn)生物制造方法，以及其在體外血管化構(gòu)建、細(xì)胞的可控生長、神經(jīng)修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

一直以來，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標(biāo)。究其原因，一方面，目前器官移植的缺口巨大。另一方面，當(dāng)前的醫(yī)學(xué)研究需要更為精準(zhǔn)的體外模型。

而這也是賀永選擇從事生物3D打印研究工作的原因，“我的終極目標(biāo)就是真正實(shí)現(xiàn)體外重建可移植的活性器官”。

“3D打印，就如同切土豆的逆過程，即將土豆片、土豆絲反向組裝成土豆?！辟R永經(jīng)常用“組裝土豆”的形象比喻來解釋3D打印的過程，“而生物3D打印，就是在體外將細(xì)胞進(jìn)行三維可控的組裝”。

考慮到單純的細(xì)胞無法直接組裝，“工程人”賀永想到的解決方法看起來“簡單粗暴”，即通過細(xì)胞膠水（生物水凝膠）實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在空間上的固定。為此，他研發(fā)出“生物墨水”——“細(xì)胞+‘膠水’+生長因子”等的組合，不僅具備非常好的生物活性，便于打印后的細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育，還具有很好的流動性，打印后能很快固化以便于固定成型。

浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師賀永。

同時，針對生物墨水的特性，賀永團(tuán)隊(duì)還嘗試了多種打印工藝，并開發(fā)出系列高精度生物3D打印機(jī)。

“當(dāng)你想要組裝一個尺寸比較大的器官時，為了保持細(xì)胞的活性，最關(guān)鍵的就是要解決營養(yǎng)輸送的問題。但打印出來的整個體系很像‘嫩豆腐’，非常軟。想要在里面構(gòu)造類似我們體內(nèi)的血管系統(tǒng)就變得非常困難?！睘榇耍R永和團(tuán)隊(duì)花了兩年的時間，研發(fā)出打印的同時在組織內(nèi)部有效構(gòu)造出營養(yǎng)流道網(wǎng)絡(luò)的生物3D打印新方法。

“我們稱之為‘組織及血管一體化制造’。現(xiàn)在說起來原理很簡單，就是把‘土豆絲’變?yōu)橹锌盏模弥锌绽w維作為打印的基本單元，直接打印出帶通道的多孔組織結(jié)構(gòu)?！辟R永向《新民周刊》記者解釋道，“我們還提出了同軸3D打印方法，通過漸進(jìn)交聯(lián)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)融合。”

在這個成果的基礎(chǔ)上，賀永開始琢磨起如何重建具有血管功能的組織，一做又是五年。

“其實(shí)就是把‘空心土豆絲’變回實(shí)心的，在里面注入載有內(nèi)皮細(xì)胞的明膠。在后期37度的環(huán)境下培養(yǎng)時，明膠融化通過管壁流出，但內(nèi)皮細(xì)胞尺寸較大，只能貼著內(nèi)壁生長。”賀永表示，這樣就能在打印出一個大尺寸組織的同時，同步建立內(nèi)部的血管化的結(jié)構(gòu)。接下去在體外培養(yǎng)的時候，血管化通道可以進(jìn)一步被誘導(dǎo)產(chǎn)生毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，形成類體內(nèi)組織的多級血管網(wǎng)絡(luò)。

賀永介紹，目前的生物3D打印有兩個重要應(yīng)用，其一是構(gòu)造人體器官模型，為疾病機(jī)理研究、腫瘤的個性化治療等提供更為高效的手段；其二是為器官/組織的局部缺損、功能喪失患者等提供更高效的修復(fù)手段。

在成果轉(zhuǎn)化方面，團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化了系列的生物3D打印機(jī)、建立了生物墨水的量化生產(chǎn)線，推出20余種系列的生物墨水，提供整套細(xì)胞3D培養(yǎng)和生物3D打印解決方案，EFL產(chǎn)品已服務(wù)哈佛、劍橋、清華、北大、浙大等國內(nèi)外上千個實(shí)驗(yàn)室。

而這種類似真實(shí)血管組織的結(jié)構(gòu)（打印的血管含內(nèi)皮、平滑肌及成纖維細(xì)胞）的最大特點(diǎn)正是管壁自帶微米尺度的通道，這個通道可用于血管的營養(yǎng)輸送、各種生長因子、藥物的刺激等，非常方便于做藥物篩選、細(xì)胞共培養(yǎng)、細(xì)胞力學(xué)等相關(guān)的研究。

此外，賀永課題組還致力于構(gòu)建基于微球的迷你組織。他們將不同的細(xì)胞制成“生物墨水”，在一個微流控芯片噴頭的控制下，一點(diǎn)點(diǎn)“吐”出“墨水”，操控不同種類的細(xì)胞形成特定結(jié)構(gòu)的微球，進(jìn)而長成具有生物活性的微組織。

“這一技術(shù)的精度可以達(dá)到單細(xì)胞分辨率?！辟R永說，與現(xiàn)有生物制造方法相比，實(shí)現(xiàn)了在微小空間內(nèi)三維結(jié)構(gòu)的可控成型，為體外重建復(fù)雜類器官和開發(fā)更為高效的器官芯片、實(shí)施更有效的細(xì)胞治療等提供了新思路。

為現(xiàn)實(shí)需求而研究

“未來，在戰(zhàn)場、火情、抗震救災(zāi)等場景中，會有大量的高智能機(jī)器人手提著裝有優(yōu)化N代的‘生物混凝土’墨水的急救包，自主發(fā)掘傷員、分析傷員傷情及缺損結(jié)構(gòu)，并利用‘生物混凝土’墨水對缺損進(jìn)行原位打印，使傷員不錯過最佳的救助時機(jī)?！辟R永表示，這樣的前景一定會變成現(xiàn)實(shí)。

賀永的博客名為“打印一個新世界”，生物3D打印技術(shù)已經(jīng)許諾了一個美好的未來，“但想要達(dá)到最初器官打印的設(shè)想還有相當(dāng)長的路要走”。

前景明朗，卻不意味著過程的順利。畢竟，生物3D打印是醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)、組織工程、制造學(xué)、臨床試驗(yàn)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)業(yè)，沒有太多成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

賀永原本專攻機(jī)械工程這個專業(yè)?！耙郧白鰴C(jī)械工程，我們沉迷于怎么把零件的精度提升，如何把結(jié)構(gòu)做好，但最后要怎么用，我們并不知道。和最終用戶其實(shí)是脫節(jié)的?！辟R永深知，不知道需求在哪里，只關(guān)注自己的學(xué)科做研究是很難深入下去的。因此，當(dāng)2010年決定研究3D打印這個方向后，賀永又花了兩年時間查資料、學(xué)習(xí)才最終確定了與生物醫(yī)療結(jié)合這個方向。但具體怎么做，賀永一開始心里也沒有底，壓力讓他那段時間每天凌晨4點(diǎn)就醒過來。

關(guān)鍵時刻，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)給予他極大的支持。雪中送炭的經(jīng)費(fèi)，讓賀永堅(jiān)持了下去，并逐漸摸到了門道，研究逐步步入正軌。他還創(chuàng)建了EFL品牌（Engineering for Life），致力于醫(yī)工交叉研究及成果轉(zhuǎn)化。

近年來，在基礎(chǔ)研究層面，EFL團(tuán)隊(duì)在高水平期刊上陸續(xù)發(fā)表了系列文章。在成果轉(zhuǎn)化方面，團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化了系列的生物3D打印機(jī)、建立了生物墨水的量化生產(chǎn)線，推出20余個系列的生物墨水，提供整套細(xì)胞3D培養(yǎng)和生物3D打印解決方案，EFL產(chǎn)品已服務(wù)哈佛、劍橋、清華、北大、浙大等國內(nèi)外上千個實(shí)驗(yàn)室。

今年，EFL團(tuán)隊(duì)提出了全新的“生物混凝土”墨水思路：將預(yù)功能化的載細(xì)胞微球作為“石子”，高濃度GelMA水凝膠預(yù)聚液作為“水泥”，并開發(fā)了機(jī)器人原位生物3D打印系統(tǒng)，根據(jù)患者組織缺損處的形態(tài)，直接在缺損處沉積“生物混凝土”，實(shí)現(xiàn)組織再生及修復(fù)。相關(guān)論文也于日前發(fā)表在了《Nature Communications》期刊上。

“關(guān)于器官級別的重建，目前我們已經(jīng)取得了進(jìn)一步的進(jìn)展?！辟R永透露，相關(guān)成果有望在不久后發(fā)表。