凱文·凱利在1994年出版《失控》時，就已經(jīng)預(yù)言未來將會是：人類逐漸機器化，機器則會生物化。這個趨勢，在人工智能越來越興起的今天，更加明顯。

先單說人類的事情。將來，人類肉身中部件的修復(fù)、更新，可能會大量地依靠材料科學(xué)。3D打印活體器官延長壽命的夢想盡管遙遠，但我們正向它一步步逼近。

浙江大學(xué)機械工程學(xué)院賀永教授課題組發(fā)明了一種新型生物3D打印方法，能夠操控不同種類的細胞形成特定結(jié)構(gòu)的微球，進而長成具有生物活性的微組織。

這一方法將為體外重建類器官，為開發(fā)更為高效的器官芯片、實施更有效的細胞治療等，提供有效路徑。

相關(guān)論文近日作為封底論文，刊登在著名的學(xué)術(shù)出版機構(gòu)Wiley旗下的《SMALL》雜志上。

3D打印人體零件

有一天換器官就像換電池

平行宇宙理論世界級研究權(quán)威、麻省理工物理系終身教授邁克斯·泰格馬克在他的新書《生命3.0》中，最重要的觀點是他把整個宇宙的生命做了劃分：

生命1.0形態(tài)（除人類以外的生物）的硬件和軟件，都是自然緩慢演化的結(jié)果，所謂天造地設(shè)；

生命2.0形態(tài)，就是人類——硬件代代一脈相承，基本穩(wěn)定；軟件，指的是意識，可以快速進化，通過后天的學(xué)習(xí)、發(fā)展，發(fā)生很大的改變。

但是泰格馬克認為：地球上所有的生命，正在朝生命3.0狀態(tài)演化——軟硬件都可以快速迭代更新的生命體。也就是說，很有可能，人類的壽命將越來越長，身上都會有人工的設(shè)備。

如果有一天，人類能夠自由制造人體“零件”，更換器官就像更換電池一樣方便，器官移植的來源就不再成為問題。不過要真正實現(xiàn)活體器官的3D打印，路途還是有點遙遠。

在3D打印的“初級階段”，人類已經(jīng)能夠精準地打印牙齒、骨骼等組織結(jié)構(gòu)相對簡單的零部件，并應(yīng)用于臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過3D打印頭蓋骨實現(xiàn)整形。

但是，如果要把打印目標擴展到人體所有“零件”，挑戰(zhàn)就大多了。

首先，要保證人造器官能夠適應(yīng)人體的力學(xué)環(huán)境——不能太硬、太軟或者塌陷；

其次，器官要能夠存活并發(fā)揮特定的功能。比如，盡管3D打印的心臟“模型”已經(jīng)很多，但至今沒有一顆真正的3D打印心臟，能夠成功植入生物體內(nèi)。

“我們想試試能否先實現(xiàn)一個小目標，打印生物活性的微組織。”賀永說。

操控“生物墨水”打印

靠的竟是一股氣

科學(xué)家將不同的細胞，分別用水凝膠包裹，制成“生物墨水”，在一個微流控芯片噴頭的控制下，一點點“吐”出多組分細胞微滴。

“用這臺機器，我們‘打’出了血管化的骨組織。”賀永說，他們第一次用兩種分別混合了骨髓間充質(zhì)干細胞和人臍帶靜脈內(nèi)皮細胞的“生物墨水”，同步打印出了帶螺旋形的微球。

其中，骨髓間充質(zhì)干細胞可定向分化為成骨細胞，內(nèi)皮細胞會形成血管化細胞。經(jīng)過幾天實驗室培養(yǎng)，呈螺旋形血管化的成骨類器官就形成了。

用這種方法，實驗室還做出了玫瑰花、帶螺旋的微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米（相當于0.2毫米）左右。

總之，可以操縱細胞任意形成特定的“隊形”。

“生物墨水”的組分之一水凝膠，是有名的“軟”物質(zhì)，如果對這么軟的材料進行精準操控，頗為艱巨。課題組用一陣“風(fēng)”巧妙地解決了：

在一股微氣流的吹動下，噴頭吐出的液滴不會馬上落下，而是會旋轉(zhuǎn)起來，此時再根據(jù)數(shù)學(xué)建模控制不同組分“生物墨水”下降的方向，就能形成精致的立體結(jié)構(gòu)。這個過程，有點像我們在轉(zhuǎn)動的蛋糕模具上裱花，讓不同細胞形成特定的立體“編隊”。

“這一技術(shù)的精度可以達到單細胞分辨率。”賀永說，與現(xiàn)有生物制造方法相比，其特點是首次實現(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)雜類器官提供了新思路。

“3D打印生物微組織的另一個用途是細胞治療。”賀永說。

當前細胞治療的一大難點，在于直接注射的細胞容易被人體自身的免疫細胞吞噬。“我們或許可以打印出具有特定功能的細胞微球，讓它們抱團在血管中行進，就不怕被吃掉，而且一到目的地，馬上就可以發(fā)揮作用。”賀永說。

浙大一位從事生物學(xué)研究研究的教授認為，這項研究在醫(yī)學(xué)上很有意義：目前人類的技術(shù)已經(jīng)可以通過干細胞培養(yǎng)出各種類型的細胞，但接下來還需要讓這些細胞形成特定的組織結(jié)構(gòu)。

因為天然的生物組織遠比我們想象得要復(fù)雜。比如血管是由成纖維細胞、平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有的以維持彈性，有的用來防止血液凝固。“如果要‘打印’血管，就需要將不同的細胞打印到一起，形成特定的結(jié)構(gòu)。”賀永說，三年前，他的課題組開始了嘗試。（章咪佳）