我仅在美国12万人他们正在等待器官移植，许多人将在轮到他们之前死去。如果他们不必等待，因为医生可以根据需要打印出替代器官，那该怎么办？
这就是生物打印的终极目标，它似乎是新兴3D打印机产业的科幻副产品。如果一切按计划进行，医疗技术人员最终将能够将活细胞塑造成复杂的三维形状，复制人体肝脏或跳动的心脏的解剖结构和功能。
今天的生物打印机已经可以制造出大块的有功能的人体组织，这是生物制造的一个相当了不起的壮举。但别指望能在短时间内建成全尺寸器官的流水线。科学家面临的主要挑战是扩大规模:他们必须创造出结构完整的组织，将整个器官连接在一起，并找到方法将人造器官编织到人体的血管网络中。
这部作品具有强烈的文化共鸣。大约200年前，玛丽·雪莱给我们带来了维克多·弗兰肯斯坦，这位大胆的科学家用人体器官组装了一个生物。《弗兰肯斯坦》展示了一个警示性的故事:当一个凡人试图扮演上帝的角色，并狂妄地认为人类的杰作可以与自然的杰作相媲美时，会发生什么。现在我们有了不同的说法。创造拯救生命的身体部位的承诺表明，如果不是扮演上帝，至少扮演维克多·弗兰肯斯坦(Victor Frankenstein)。生物打印让疯狂的科学变得理智。
让我们向你借钱吧《弗兰肯斯坦》来展示生物打印是如何工作的。为了理解标准的(非生物的)3D打印机是如何工作的，想象一下你想用牙膏塑造弗兰肯斯坦怪物的脖子和头部。挤压管子，挤出一条稳定的粘稠线，你首先在他的脖子形状上放一层。然后再检查一遍造型，放下第二层，让脖子抬高。当然，这不会长期有效:有了牙膏，你的项目很快就会变得黏糊糊的。
但在3D打印机里，你的弗兰肯斯坦的头结果会好很多。打印机的喷嘴会精确地喷射出材料，通常是塑料或熔融金属，并在开始下一层之前快速硬化每一层。根据计算机文件中的指令，打印机将逐片构建颈部，然后构建头部。
理论上，要打印肝脏，3D打印机需要遵循描述肝脏的指令内部结构指肝细胞与血管、胆管和神经交织在一起的器官。打印机喷嘴将在适当的位置一层一层地挤出适当类型的细胞，以构建完整的3D器官。但细胞本身并不相互粘附；它们需要嵌入一种能使器官结构完整的材料中。活细胞和结合材料的混合物就是打印机的“生物墨水”
制造一种有效的生物墨水是非常棘手的。这种材料必须具有足够的流动性，可以从打印机喷嘴中流出，但一旦打印出来，就必须迅速凝固。为了使生物打印成为可能，每一层都必须在添加下一层之前变硬，所以科学家使用的材料会对催化剂做出反应，比如温度变化或紫外线的闪烁。然而，硬化过程必须在不损害生物墨水中的活细胞的情况下进行。
一旦研究人员有了一种可行的生物墨水，它就会被藏在生物打印机的墨盒中。正如您的喷墨打印机可能有多个墨盒容纳不同颜色的墨水一样，生物打印机也可能有墨盒，其中包含充满不同类型细胞的墨水。然后，生物打印机开始工作，在制造室中移动喷嘴，并遵循关于何时喷射每种墨水的精确说明。喷嘴第一次通过，生物打印机硬化该层，然后重复该过程。
制造一种有效的生物墨水是非常棘手的
迄今为止发明的最好的生物墨水仍然远远不能构建像肝脏这样的大器官；科学家们还没有发现一种凝胶状材料，这种材料可以从喷嘴中挤出，硬化到足以使形状结构完整，但能保持活细胞存活的状态。
卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员找到了一个解决这个难题的方法，他们发现了在打印过程中支持组织的另一种方法。在他们的技术，他们描述最近在杂志上科学的进步他们在一个充满了另一种明胶的房间里打印他们的组织。当生物墨水积累并开始形成预期的形状时，周围的明胶并没有与打印的物体融合，而是轻轻地包裹着它。当物体完成后，整个容器被加热，热敏支持凝胶融化，留下完整的物体。
卡内基梅隆大学的研究小组打印出了复杂的解剖形状，包括一个鸡胚心脏的复制品和一个微型人脑。首席研究员说，这些物体很小，只有厘米级亚当·范伯格．然而，他可以设想几种使用这种打印系统来扩大规模的方法。现在，他的团队制造的印刷机的尺寸限制了他。“但我们可以用明胶浆装满一个大桶，然后在里面打印，”范伯格说。他们只需要装配一个系统将喷嘴深深插入桶中，然后开始建造一个大物体的基座。“我们还没有这样做，”他说，“但我看不出有什么理由说它行不通。”
另一种方法是:范伯格可以设想一台有许多喷嘴的打印机，这些喷嘴不仅从机器的顶部出现，而且从机器的侧面也出现。这种方法可以让打印机通过同时从多个方向挤压材料来快速构建一个大物体。范伯格说，打印的速度很重要，因为没有营养的供应，细胞就活不长。“在大量细胞死亡之前，你有大约两个小时的打印窗口，”他解释道。为了实现这种多向技术，研究人员必须发明这种机器，并编写控制它的软件，但范伯格并不认为这些任务是一场好戏。
在人造器官中制造血管是另一个挑战。一些研究小组正在打印由生物墨水和一种特殊的“逃逸墨水”组成的物体，这种墨水模仿内部血管的扭曲形状。一旦印刷完成，温度变化会使易挥发的墨水从凝胶变成液体，然后从物体中排出，在血管形状中留下空隙。第二种方法是打印构成血管壁的细胞，并鼓励它们生长成复杂的微小毛细血管网络。
还有很多工作要做，大多数专家认为全尺寸器官打印还需要几十年的时间。但今天的生物打印技术已经可以提供显著的医疗效益。制药公司可以使用人类心脏或肝脏组织的3D碎片来测试新药的毒性。这些试验比动物试验和在培养皿中使用人类细胞二维涂片的试验具有更强的预测性。
“对这次筛查进行了专区的需求，”Feinberg说。由于对心脏或肝脏的副作用，许多新药失败，他解释道，毒品公司往往没有发现这些副作用，直到他们在人类临时临床试验之前。圣地亚哥的第一家生物制品公司之一有机体该公司已经通过3d打印技术提供药物检测服务肝组织．
Feinberg还预期印刷心脏组织的碎屑作为心脏病患者受损器官的斑块。医生可以使用MRI扫描来确定受损组织的精确形状，使用源自患者自己的身体的心脏细胞打印贴片，并将其移植。
当然，政府监管机构将不得不认为这一程序是安全的。但如果他们真的签了字，我们就离为绝望的病人打印出完整的心脏又近了一步。似乎可以肯定的是，急需移植器官的病人会把这一最终目标视为弗兰肯斯坦故事的一个很好的解决方案。当涉及到他们的健康时，大多数人并不关心他们的治疗方法来自哪里——他们只关心它们是否有效。
伊莉莎·斯特里克兰(Eliza Strickland)是《科学与技术》杂志的副主编IEEE频谱．
