我們經(jīng)常聽(tīng)到“3D打印功能性器官指日可待”的說(shuō)法，但實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況遠(yuǎn)比這復(fù)雜得多。盡管這仍是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想，但蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)邁出了關(guān)鍵一步，正在彌合這一差距。他們利用在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類細(xì)胞，成功制造出了富有彈性和穩(wěn)定性的耳軟骨。在研究員Philipp Fisch和Marcy Zenobi-Wong教授的帶領(lǐng)下，這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種3D打印的人工耳，該人工耳在植入動(dòng)物模型后仍能保持其形狀和力學(xué)性能，從而使為患有畸形或嚴(yán)重?fù)p傷的患者提供個(gè)性化解決方案的可能性大大增加。

本研究的主要目標(biāo)是克服現(xiàn)有重建方法的局限性。目前，治療意外事故造成的耳畸形或耳廓缺失的標(biāo)準(zhǔn)方法是從患者自身的肋骨上取軟骨來(lái)重塑耳廓。這種方法不僅疼痛，而且通常會(huì)導(dǎo)致重建后的耳廓比正常耳廓更加僵硬。因此，科學(xué)家們正在努力研發(fā)一種既具有必要的穩(wěn)定性又具有足夠柔韌性的組織，以便將其植入人體。

耳軟骨制造工藝流程圖（圖片來(lái)源：P.Fisch、S.Kessler、S.Ponta等）

3D生物打印耳軟骨：它是如何工作的？

為了獲得所需的生物材料，研究人員從其他患者先前手術(shù)中剩余的小塊軟骨中提取細(xì)胞。他們首先從一個(gè)僅有三毫米大小的樣本中分離出約10萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，然后在特制的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)這些細(xì)胞，直至達(dá)到重建完整耳朵所需的數(shù)億個(gè)細(xì)胞。在培養(yǎng)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了培養(yǎng)環(huán)境，以確保細(xì)胞產(chǎn)生耳軟骨特有的II型膠原蛋白和彈性蛋白，并且不會(huì)轉(zhuǎn)化為成纖維細(xì)胞，因?yàn)槌衫w維細(xì)胞會(huì)形成更柔軟的瘢痕組織。

增殖后的細(xì)胞與一種名為“生物墨水”的凝膠狀材料混合，該材料起到支撐作用，然后被送入3D打印機(jī)，打印出耳朵的結(jié)構(gòu)。打印完成后，耳朵不會(huì)立即植入。最初，形成的組織非常柔軟，需要在培養(yǎng)箱中經(jīng)過(guò)數(shù)周的成熟期。在此期間，該結(jié)構(gòu)會(huì)持續(xù)獲得氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，以促進(jìn)形成強(qiáng)大的蛋白質(zhì)和糖類網(wǎng)絡(luò)，從而賦予其最終的強(qiáng)度。

研究結(jié)果令人鼓舞。經(jīng)過(guò)九周的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和六周的大鼠皮下植入后，人工耳廓保持了原有形狀，并展現(xiàn)出與天然人類軟骨非常相似的力學(xué)性能。Philipp Fisch強(qiáng)調(diào)，高細(xì)胞密度和可控的成熟環(huán)境相結(jié)合是成功的關(guān)鍵。然而，這位研究人員也提醒大家注意這些過(guò)程的復(fù)雜性：“我們團(tuán)隊(duì)在這個(gè)問(wèn)題上已經(jīng)研究了十多年。在組織生物制造領(lǐng)域，或者也稱為組織工程領(lǐng)域，快速進(jìn)展實(shí)屬罕見(jiàn)?！?/span>

下一階段的研究將著重于完善彈性蛋白網(wǎng)絡(luò)，這種蛋白質(zhì)賦予耳朵柔韌性，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然是一個(gè)生物學(xué)難題。Philipp Fisch估計(jì)，在進(jìn)入臨床試驗(yàn)之前，可能還需要五年時(shí)間才能開(kāi)發(fā)出完美的生物學(xué)設(shè)計(jì)。

編譯整理：3dnatives