疫情已經在全球肆虐了半年之久，全球的科學家也在加快抗病毒新藥的研究。一些研究人員利用3D生物打印技術，打造人體微型器官，以此來研究新冠病毒的藥物療效。這種創新的背后有什么科學依據？這個項目有什么優勢？多久可以實現推廣？本文通過采訪幾家研究所的科研人員，為讀者介紹這種3D生物打印技術新應用。

在實驗室里，科學家正在用3D打印技術打造人體皮下組織和血管。在疫情期間，3D生物打印技術可以用來研究抗新冠病毒藥物的藥效

用3D打印技術打印微型器官

新冠疫情發展到現在，3D打印技術有效緩解了個人防護設備短缺的問題。

但是3D技術只能打印防護設備嗎？Wake Forest再生醫學研究所所長安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）給出了否定的答復。現在，他和他的團隊正在以一種十分創新的方式應用3D打印技術：打造微縮版的人體器官（有些器官和針頭一樣細小），用于檢測新冠病毒的特效藥。

目前，這個小組正在打造微縮版的人體肺部和結腸，根據現有的數據，這兩種器官尤其受新冠病毒的影響。他們將打印好的器官通過快遞送到弗吉尼亞州的喬治·梅森大學的生物安全實驗室進行測試。

據悉，阿塔拉和團隊最初是徒手搭建微縮器官的，隨著疫情的加速，他們及其他生物實驗室需要的器官越來越多，他們決定用3D打印技術直接打印器官。

在過去的幾年中，阿塔拉所在的研究所已經嘗試過打印器官的細胞簇，用以研究寨卡病毒對人體的傳染性及特效藥。他在北卡羅來納州的實驗室接受記者采訪時說：“我們那時候從未想到這個方法也可以用來研究新冠病毒。”

現在，他的團隊有能力在一小時內印制上千個微型器官。

3D生物打印技術：科幻變現實

打印微型器官無疑是3D生物打印技術的一種應用。盡管這種技術目前還沒有廣泛應用，但已經有越來越多的病患從中受益。我們現在還不能直接打印出一個完整的活人，但研究人員已經可以用打印好的器官進行藥物研究，或者根據需要打印出一塊皮膚和標準尺寸的器官用于人體移植，這對肝臟衰竭者或燒傷者來說是一個福音。另外，對于可能傷害動物或人體的測試（如化妝品測試），現在也都用3D生物技術代替活體實驗了。

阿基列什·加哈瓦爾（Akhilesh Gaharwar）是得克薩斯農工大學生物醫學系跨學科實驗室的負責人，這個實驗室致力于生物打印技術和其他再生醫學技術。他對此評論道：“即使對我們（專業人員）來說，這種技術也像是只有科幻中才存在。”

目前，生物打印技術對藥物實驗至關重要，不僅可以用來檢測新冠病毒的特效藥，還能檢測包括癌癥在內的多種疾病的藥物。阿塔拉認為，用打印出的器官做藥物實驗還有一個好處：這些器官不會產生新陳代謝，可以讓研究人員排除干擾因素，讓實驗結果更加準確。

他用一款名叫Rezulin的抗糖尿病藥舉例子。這是一款曾經非常流行的藥，但后來被發現對肝臟有損害，于是在2000年左右被召回。阿塔拉說，他所在的實驗室用剩下的Rezulin藥片和微型器官做實驗，結果證實了這種藥物的毒性，因為兩周之內微型肝臟的毒性指數明顯提升了。他認為微型肝臟為實驗提供了一個“純凈”的環境，便于控制變量，不會像臨床試驗那樣受到實驗個體情況的影響。

阿塔拉認為，生物技術實驗將會是臨床試驗的一個重要補充，但不會完全替代臨床試驗。

如何打印器官和血管？

用生物打印技術制作出來的皮膚和器官可以用來檢測某種藥物或產品對人體的傷害。在傳統的藥物或產品檢測中，一些對動物（如小白鼠）無傷害的成分最后卻對人體有害。加哈瓦爾說：“3D生物制品可以讓我們免于動物測試，直接研究人體能否適應某些成分。”他認為無論是從效果還是道德的角度考慮，用3D技術代替動物實驗都是正確的選擇。2013年，歐盟開始明文禁止化妝品公司用動物做實驗。

這些微型器官的支架被研究人員稱戲稱為“手腳架”，是用可降解的材料做成的。這些支架內埋有直徑為50微米（大約是人類頭發的一半）的微型管道，為器官輸送營養物質。在搭建好支架、安放好器官后，就可以在上面涂抹一層“生物墨水”——這是一種細胞和水凝膠合成的粘液，像蛋糕奶油一樣刷在支架上。

微型器官還有一個重要的部分就是血管。

潘卡·卡蘭德（Pankaj Karande）是倫斯勒理工學院化學與生物工程學院的助理教授，他從2014年開始研究如何打印皮膚，最近他的研究有了重大突破。他和他的團隊使用一種特殊的纖維細胞和膠原蛋白做支架，這種細胞可以不斷生長。他們以此為支架打印皮膚的表皮和真皮（皮膚的前兩層）。卡蘭德說：“看起來皮膚不介意被切成一塊，皮膚細胞還是可以活下來。”

但是他們發現，沒有血管做支持，打印出來的皮膚最終會脫落。于是卡蘭德等人開始和耶魯大學的兩位研究人員合作，最終成功構建出了皮膚的第三層組織——皮下組織和血管。卡蘭德說，第三層組織決定了移植后的皮膚是否可以存活。

Wake Forest研究所早期搭建的微型心臟

三個人著手開始進行試驗，將合成血管的內皮細胞和包裹內皮細胞的周細胞整合到皮膚中。經過反復試驗，他們終于在3D打印出的皮膚上成功打造了第三層皮下組織，將血管和皮膚融合在一起。

盡管這個項目目前還處于初級階段（已經在小白鼠身上進行了測試），但這項技術將會在未來給人類更換皮膚和血管提供可能。

“個性化”成3D生物技術新挑戰

卡蘭德表示，這個項目是異常艱苦的，需要做很多實驗，試錯很多次。“我們先執行計劃A，但它通常都是行不通的，然后我們開始在清單上找計劃B，計劃C，以此類推。我們最終的報告可能只有5頁是寫有效結果的，剩下5000頁都是記錄失敗實驗的。”

加哈瓦爾的實驗室的重點在于如何打印可以移植的人體骨骼。他希望未來的移植骨骼流程如下：患者通過放射掃描，將需要移植的骨骼形狀進行精準的呈現，然后再進行打印。他表示，這一點在顱面修復中至關重要，現有的顱面修復很難精準地重建缺失或受損的骨骼形狀。

卡蘭德和加哈瓦爾的觀點一致。他認為3D生物打印技術中“個性化”的成分很重要。在打印移植的皮膚時，需要考慮被移植者的膚色。而且，鑒于皮膚對調節體溫至關重要，因此他還在研究如何在皮膚中增加汗腺和毛囊。卡蘭德表示：“當我們重新構建一塊皮膚時，我們希望它有人體皮膚的全部功能。我們通過獲取患者自己的細胞，以此為基礎進行打印，希望能最大程度上排除患者身體對移植皮膚的排斥。”

“最激動人心的項目”

毫不意外的是，研究人員現在也在做研究數據的收集。Wake Forest研究所的成員正在和Oracle公司進行合作，從人體器官中捕獲大量數據并使用人工智能進行分析。這個項目被認稱為“人體芯片”，基于收集到的數據，科學家可以用3D生物打印技術打造微縮版的人體器官，進行藥物功效的研究。

據悉，一個切片上可以容納10到12個迷你器官。

Oracle公司的健康科學部門首席科學家麗貝卡·拉伯德（Rebecca Laborde）表示：“我們現在在和研究人員、制藥公司和生物技術公司進行合作，收集數據、開發新藥，相信可以很快取得進展。”

她還補充說：“這么長時間以來，這是我遇到的最激動人心的項目。”