我仅在美国120000人都在等待器官移植，许多人在轮到自己之前就死了。如果他们不需要等待，因为医生可以根据需要打印出替代器官呢?
这是生物打印的最终目标，这是一个看似科幻的3D打印机新兴产业的衍生产品。如果一切按计划进行，医疗技术人员最终将能够将活细胞铸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动作。
今天的生物打印机已经可以生产出大块的功能性人体组织，这是生物制造业的一项非常了不起的壮举。但不要指望很快就有一条全尺寸器官的装配线。科学家面临的主要挑战是扩大规模：他们必须创造出具有足够结构完整性的组织，以将整个器官连接在一起，并找到将合成器官编织成人体血管网络的方法。
这部作品具有强烈的文化共鸣。大约200年前，玛丽·雪莱（Mary Shelley）给了我们维克多·弗兰肯斯坦（Victor Frankenstein），一位大胆的科学家，他用人体器官组装了一种生物。《弗兰肯斯坦》提出了一个警示性的故事，讲述了当一个凡人试图扮演上帝，并且傲慢地认为人类的手工艺品可以与大自然的杰作相媲美时会发生什么。现在我们有了不同的叙述。创造拯救生命的身体器官的承诺表明，如果不是扮演上帝，至少扮演维克多·弗兰肯斯坦是有好处的。生物印刷已经使疯狂的科学变得理智。
让我们借《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，你的弗兰肯斯坦头结果会好得多。打印机喷嘴将挤出精确的材料喷射，通常是塑性或熔融金属，并在开始下一层之前迅速硬化每一层。根据电脑文件的指令，打印机会一片片地制作脖子和头部。
理论上，要打印肝脏，3D打印机将遵循描述肝脏的说明内部结构肝细胞簇与血管、胆管和神经交织在一起。打印机的喷嘴会在适当的位置一层一层地挤出适当类型的细胞，从而构建完整的3D器官。但细胞本身并不会相互粘附;它们需要嵌入一种材料，使器官结构完整。这种活细胞和粘合剂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，就会把它藏在生物打印机的墨盒里。就像你的喷墨打印机可能有多个墨盒，里面装着不同颜色的墨水一样，生物打印机也可能有包含着不同种类细胞的墨水的墨盒。然后，生物打印机开始工作，在制造室中移动它的喷嘴，按照何时喷射每种墨水的精确指示。喷嘴完成第一次通过，生物打印机使这一层变硬，然后重复这个过程。
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还远远不能构建像肝脏这样的大型器官;科学家们还没有发现一种凝胶状材料，可以从喷嘴中挤出，它足够坚硬，以保证形状结构的完整性，同时保持一种允许活细胞存活的状态。
卡内基梅隆大学的研究人员提出了解决这个难题的一个办法，他们发现了一种在印刷过程中支持组织的不同方法。在他们的技术上，他们描述最近在《科学进步之后，他们在一个装有不同种类明胶的小室里印制了他们的组织。随着生物墨水的积累并开始形成预期的形状，周围的明胶没有与印刷品融合，而是轻轻地托住印刷品。当物体完成后，整个容器被加热，热敏支撑凝胶融化，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，包括一个胚胎鸡心脏的复制品和一个微型人类大脑。这些物体很小，在厘米尺度上，首席研究员说亚当·范伯格. 然而，他可以想象几种使用这种打印系统进行放大的方法。现在，他的团队制造的印刷机的尺寸限制了他。“但我们可以在一个大桶里装满明胶浆料，然后在里面打印，”范伯格说。他们只需要安装一个系统，将喷嘴降低到桶的深处，在那里开始建造一个大型物体的基座。“我们还没有这样做，”他说，“但我看不出有什么理由它不起作用。”
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。
另一个挑战是在人造器官中制造血管。一些研究小组正在打印由生物墨水和一种特殊的“流动墨水”组成的物体，这种墨水可以模仿内部血管的扭曲形状。一旦打印完成，温度变化会导致易挥发的墨水从凝胶变成液体，然后流出物体，留下血管形状的空白。第二种方法是打印构成血管壁的细胞，并促使它们生长成由微小毛细血管组成的复杂网络。
还有很多工作要做，大多数专家认为全尺寸器官印刷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。制药公司可以利用人体心脏或肝脏组织的3D碎片来测试新药的毒性。预计这些试验比动物试验和在皮氏培养皿中使用二维人类细胞涂片的试验更具预测性。
“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Organovo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。
伊丽莎·斯特里克兰是《科技》杂志的副主编IEEE频谱．
