器官移植是治療部分器官衰竭患者的手段，僅在中國，臟器衰竭患者的器官移植需求量就達到了年均30萬例。公開數據顯示，2015年，中國成功完成肝臟移植2000多例、腎移植5367例，但2015年肝臟移植需求者新增4000多人，腎臟移植需求者新增了1萬多人，供需差距進一步擴大，僅肝臟移植就有500多人同時在同一家醫院等待，腎臟移植有2000多人在同一家醫院等待。我國器官捐獻率不到百萬分之三，而一些國家已經達到百萬分之四十。

生物3D打印技術研究的重要目標就是通過增材制造技術和再生醫學技術實現組織、器官的人工培養，最終解決移植器官供體短缺的問題。然而，生物3D打印器官技術仍存在很多需要解決的難題，主要包括：材料、血管形成與法規。這三大因素是目前阻礙3D打印人工器官成為一種現實的臨床治療技術的主要障礙。

實現器官“定制”所面臨的難題

從中國器官移植供需的數據中可以看到，每年等待器官移植的患者數量都多于器官捐贈的數量，所以必然有一部分患者無法及時接受器官移植，他們可能因器官衰竭而死亡。即使是那些接受了器官移植的患者，也面臨著一生接受免疫抑制治療和相關醫源性疾病的困擾。

當器官供需存在差異時，醫療界就會思考新的技術和商業模式來滿足需求，通過3D打印與再生醫學技術制造人造器官的思路也正是在這種情況下產生的。

器官3D打印流程，圖片來源：european Pharmaceutical manufacturer。

從事3D打印組織、器官研究的人員或機構不僅需要具備增材制造技術，生命科學技術，還需要建立進行人工組織、器官制造過程的數字化質量管理體系，還需要解決來自材料、血管化和法規的挑戰。

 材料

根據3D科學谷的市場研究，在增材制造中，控制3D打印部件的物理性質是很重要的，例如需要嚴格控制形狀、強度、柔韌性、耐化學性和表面光潔度等。生物3D打印過程也是類似的，在打印中需要將細胞打印到材料基質中，這些基質能夠提供支撐、形狀以及組織、器官需要的機械性能。不僅如此，這些材料在打印過程中還需與細胞具有化學相容性，同樣的，在植入時也需要與人體化學相容。

生物3D打印材料也被稱為“生物墨水”。一種生物3D打印方式是使用單一生物墨水打印任何希望制造的組織或器官。但是生物學表明，細胞之間的空間對細胞生物學至關重要，因此在器官打印過程中需要大量的材料來適當地支撐、維持和調節組織/器官內的細胞。

比如說，GE 醫療生命科學部門與美國西北大學進行合作，美國西北大學的科學家發明了300多種具有不同“顏色”的生物墨水，它們被用于構建生物組織。其中一種生物墨水為超彈性骨制造材料，該材料含有90%以上的羥基磷灰石，但除了羥基磷灰石之外，生物墨水中還含有部分粘合劑，這種粘合劑有助于實現彈性骨的3D打印。大多數粘合劑材料在打印過程種可以蒸發掉，或者是能夠被清洗掉，留下骨狀材料（羥基磷灰石）。

 血管形成

細胞與沒有生命的零件有所不同，在3D打印過程中僅為細胞創造物理和化學環境是不夠的，細胞還需要生物環境。這其中最大的挑戰之一是如何創造血液供應，從而為細胞提供氧氣并帶走廢物。在人體中，任何超過頭發寬度并缺乏血液供應的細胞都會出現問題。

人體肝臟血管網絡示意圖

如果對天然組織進行觀察，會發現血管系統沒有整齊地設計，而是類似于半混沌的血管網絡。人體的天然血管能夠提供均勻的灌注（在空間內均勻供應營養和氧氣）以及保持低流動阻力，但是這一點多數人造血管床都做不到。在人工血管研究領域已取得了一些進展，比如說美國高級解決方案生命科學（ASLS）的Jay Hoying 偶然發現了創建更像原生血管的方法。幾年前，他使用來自老鼠的腹部脂肪做為實驗模型，發現撕裂的小塊微血管將自發地生長新血管（血管生成），并且這些新血管將自組裝成血管床，重建半混沌天然結構。當他將這些血管床鋪放在不同的組織（心臟，肝臟，腎臟，神經）時，它們會自發地產生類似于天然身體組織中發現的血管床。

 監管審批

醫療監管審批是3D打印骨科植入物所面臨的最大挑戰之一，同樣也是生物3D打印醫療產品所面臨的挑戰。

根據3D科學谷的市場研究，通常情況下，美國食品藥品監督管理局（FDA）規定，在生產多件相同的醫療產品時應使用相同設計方案，監管程序需要確保的是，產品安全有效并且具有一致性。

然而，與T細胞療法等其他“精準藥物”一樣，生物3D打印器官、組織的主要優勢在于每種產品都是針對患者量身定制的。這給醫療監管機構造成了重大挑戰，因為在為每位患者“制造”器官時所使用的細胞可能都是獨一無二的。

在此情況下，FDA 所面臨的挑戰是對這類醫療產品的制造工藝進行監管，而并非像以往那樣對產品進行監管。組織、器官的3D打印過程質量控制以及驗證是至關重要的，整個過程從患者成像開始，到為患者創建定制化的組織3D模型，在打印組織或器官的每一層時，有必要根據設計驗證其物理特性、化學特性以及生物學特性。

雖然如何對生物3D打印組織、器官進行醫療監管是充滿挑戰的，但是并非沒有任何依據可循，最近FDA批準的自體T細胞療法，為醫療監管機構制定定制和自體組織/器官的制造指南提供了可借鑒的思路。

3D科學谷Review

組織、器官再生并不是個新概念，幾十年來，生物工程師生物工程師和臨床醫生一直在開展這個領域的研究。但是在以往的再生醫學研究中，人們從未像今天這樣有機會同時利用生物學、3D打印技術和數字化分析來進行再生醫學的研究。

根據3D科學谷的市場觀察，除了交叉學科技術的發展，醫療監管環境也逐漸利好，因為監管機構已開始探索個性化醫療，就拿國內來說《定制式醫療器械監督管理規定（試行）征求意見稿》現已發布，其中對于定制式醫療器械的設計開發、生產、質量控制等方面有著詳細的規定。

在生物3D打印技術的應用層面上，雖然提供臨床所需的功能齊全的人造器官還有很長的路要走，但GE醫療生命科學領域的專家認為在短期內少量3D打印人造組織將成為可能，并且還列舉了兩個典型的3D打印人工組織的應用場景：

- 在顱頜面手術中，很多患者需要移植健康的血管骨。目前，這種骨骼來自患者的其他部位，例如腓骨，髖部等，這種移植手術時間長，價格昂貴，并且恢復時間長。而通過生物3D打印技術制造的血管骨則有望替代目前的自體移植。

- 膝關節軟骨可以保護膝關節半月板，軟骨過度使用及磨損可能導致膝關節炎，嚴重的患者需要接受膝關節置換手術，植入金屬人造膝關節植入物。但是膝關節置換手術非常昂貴，并且使用壽命有限，如果盡早移植帶有活性的3D打印半月板，將減少膝關節出現永久性損壞的可能性，并減少治療費用。

這類相對簡單的3D打印人體組織的研究將為人們創建復雜器官奠定基礎。