3D打印是一种快速成型技术，以数字模型为基础，运用粉末或液体可黏合材料，通过逐层固化成型的方式来构建具有复杂结构的物体。3D打印过程一般通过熔融沉积、光固化、选择性激光烧结等技术实现，被应用于模型准备、工业设计、零部件制造等领域，从而得到汽车、建筑、日用品，甚至枪支武器等。

3D生物打印的概念提出：3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题，因为在现有的医疗手段中，一个器官的获取要以另一个人器官的失去为前提，而主动或被动失去的器官数量又远远少于需要的器官。例如，中国每年需要肝脏移植的终末期肝病患者有一百万左右，其中只有三到四千人接受了移植手术；而每年需要透析的十二万例病人中只有二十分之一可以找到肾源。因此，研究者们开发了很多替代方案，如使用动物来源的器官或人工制造的器官等。3D生物打印机的出现，有可能解决这方面的问题，从而延续病人的生命，提高他们的生活质量。

3D生物打印机的原理：3D生物打印机的开发基于现有打印技术发明，这些技术曾被用于制造工业零部件。而生物打印机的不同之处在于，它使用了生物材料，在其中可以复合细胞、生长因子等活性成分，从而逐层构建活体组织。第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来，2010年被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一，但是该项技术还只是处于开发的初级阶段。通过电脑建模程序来设计需要打印的器官剖面图，从而精准指导随后的打印过程。研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取出的干细胞，或不同的活性因子，通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印过一层，就会提升一个层高的刻度，继而开始下一层图案的打印，从而逐渐实现人造组织的成型，这一过程类似于普通3D打印在工业应用中的模型制造。生物打印机可以被置于生物安全柜中，可进行各种无菌操作。打印后的组织结构可以直接被植入患者体内，其中的细胞在生长因子的调控下，重新组合、分化，最终形成新的组织和器官。从理论上讲，3D生物打印机可以使用CT等扫描技术，得到患者身体的各个部位精确图像数据，并在随后的短时间内3D打印出相应的组织，由于这些结构来源于病人的身体扫描，因此打印后的植入物可以完全模拟原有器官，顺利地进行替换，从而减轻了植入过程对患者身体带来的负担。

3D生物打印的研究现状：现在3D生物打印机的研究还处于早期研发阶段，但其发展前景为大家所期待。据Invetech和Organovo两家公司宣称，3D生物打印技术将在五年内实现对功能性大血管的打印，十年内实现心脏或肝脏等器官的打印。由此可见，3D打印技术的成果必将给医疗界带来一场革命。美国北卡罗来纳州WakeForest大学AnthonyAtala等人使用复合细胞的水凝胶材料，逐层打印，构建出类似肾脏的结构。同时，他们在使用相同技术，打印出带有人体细胞的支架，从而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人体器官，以达到为患者提供量身定做的器官替代品的目的。而耶鲁大学的科学家们已经使用动物细胞制备出了鼠的肺部组织，可以被植入啮齿动物体内，并在一定时间内发挥功效。东京大学医院的TsuyoshiTakato等将人造蛋白质材料通过3D打印技术制备骨或软骨，从而治疗具有相应疾病的儿童。但是，Atala认为距离打印器官被真正用于人体疾病治疗，还将会花费数年的时间，因为迄今为止的打印后植入体只具有极其简单的结构，不能完全模拟心脏、肝脏以及肾脏等复杂内脏器官的结构和功能。

未来发展前景：现在，在3D生物打印领域取得了大量的科研突破，这些突破将使得我们在未来数年内实现3D打印器官和组织的前景越来越清晰，从而最终取代人体器官移植的应用。同时，3D生物打印技术也将被用于制药、美容、食品、服装等多个领域，彻底改变我们的生活。例如，未来的病人可以在自己家中利用标准化学品构建模块，打印纳米药品，而他日常所吃的食物也来源于凝胶、明胶材料与脂肪等食品添加剂的混合打印，所穿的衣服则来自网络下载模板后的量体打印。

（中科院遗传与发育生物学研究所供稿）