我們經(jīng)常聽到“3D打印功能性器官指日可待”的說法，但實驗室的實際情況遠比這復(fù)雜得多。盡管這仍是一個遙遠的夢想，但蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的一個研究團隊已經(jīng)邁出了關(guān)鍵一步，正在彌合這一差距。他們利用在實驗室培養(yǎng)的人類細胞，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，這個科研團隊成功開發(fā)出一種3D打印的人工耳，該人工耳在植入動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重損傷的患者提供個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)準方法是從患者自身的肋骨上取軟骨來重塑耳廓。這種方法不僅疼痛，而且通常會導(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胞。他們首先從一個僅有三毫米大小的樣本中分離出約10萬個細胞，然后在特制的營養(yǎng)液中培養(yǎng)這些細胞，直至達到重建完整耳朵所需的數(shù)億個細胞。在培養(yǎng)過程中，研究團隊優(yōu)化了培養(yǎng)環(huán)境，以確保細胞產(chǎn)生耳軟骨特有的II型膠原蛋白和彈性蛋白，并且不會轉(zhuǎn)化為成纖維細胞，因為成纖維細胞會形成更柔軟的瘢痕組織。

增殖后的細胞與一種名為“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，打印出耳朵的結(jié)構(gòu)。打印完成后，耳朵不會立即植入。最初，形成的組織非常柔軟，需要在培養(yǎng)箱中經(jīng)過數(shù)周的成熟期。在此期間，該結(jié)構(gòu)會持續(xù)獲得氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，以促進形成強大的蛋白質(zhì)和糖類網(wǎng)絡(luò)，從而賦予其最終的強度。

研究結(jié)果令人鼓舞。經(jīng)過九周的實驗室培養(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強調(diào)，高細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程的復(fù)雜性：“我們團隊在這個問題上已經(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，快速進展實屬罕見。”

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，但其長期穩(wěn)定性仍然是一個生物學(xué)難題。Philipp Fisch估計，在進入臨床試驗之前，可能還需要五年時間才能開發(fā)出完美的生物學(xué)設(shè)計。

編譯整理：3dnatives