生物材料與身體的接納

兩大材料家族

在上一篇裡你認識了支架——那座為失去的細胞提供生長形狀的棚架。但棚架的好壞，全看雕它的那塊木頭。挑選這塊材料本身就是一門學問，而這些材料也有自己的名字：生物材料是指任何天然或人造的物質，我們有意把它放進活組織內部或緊貼活組織，並要求身體與之共處。一把木椅是一種材料；而一個心臟瓣膜、一根會溶解的縫線、一座軟骨支架，則都是生物材料，因為它們必須與你共享同一具身體。

生物材料分為兩大家族。天然的那一類直接取自生命——從動物組織中提取的膠原蛋白和明膠、來自海藻的海藻酸鹽、來自蠶的絲，或是一副經過脫細胞處理、只剩骨架的供體器官。細胞往往能認出這些東西，就像你認得自己的廚房：抓手與落腳點早已熟悉。合成的那一類則在化學實驗室裡造出——那些名字拗口的聚合物，比如 PLGA 或聚乙二醇。它們是相反的取捨：對細胞來說有點陌生，卻極其穩定一致，可以調到兩週或兩年內降解，而且週一造的和週五造的一模一樣。

生物相容性：做一位好客人

選錯了材料，身體不會保持中立——它會開戰。所以任何植入物最重要的一項性質，就是它的生物相容性：一種材料能多麼平和地與活組織共處，而不激起有害的反應。把它想成做一位好客人。好客人會把自己來做的事做好，把屋子保持乾淨，不毒害主人，也不挑起鬥毆。壞客人則反其道而行之，而身體有三種經典的方式把他趕出去。

WHAT THE BODY OBJECTS TO            THE BAD-GUEST VERSION
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  toxicity      chemicals leak out  ->  cells nearby sicken
  immune attack the guard cells     ->  inflammation, swelling
                see a stranger
  clotting      blood meets surface ->  a clot forms on it
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  pass all three  =  biocompatible  =  a welcome guest

一種材料要做到生物相容必須通過的三道考驗：不下毒、不激怒免疫衛兵、不引發血栓。

請注意，生物相容性不是材料能永遠佩戴的一枚勳章——它取決於任務。在骨頭裡堪稱完美客人的材料，到了血液裡可能就是個惹是生非的傢伙。黃金幾乎在哪兒都安安靜靜；而同一種能做出優良、緩慢溶解縫線的塑料，放進動脈內壁卻可能引發炎症。所以工程師從不抽象地問「這東西生物相容嗎？」他們問的是：「在 *哪裡* 相容、能維持 *多久*、在做 *什麼* 時相容？」

異物反應：當衛兵築起一道牆

即便是一種相當禮貌、但身體無法消化的材料，也會遭遇一種緩慢而頑固的反應，叫做異物反應。想像一個陌生的物體卡在一座小鎮裡，當地衛兵既搬不走它，也認不出它。在無法將其分解之後，他們退而求其次：把它圍起來。免疫細胞湧向表面，融合成毛刺叢生的巨細胞，並鋪下一層堅韌的、疤痕般的組織包膜——正是我們認識過的那種緻密膠原，即纖維化——把這個闖入者與周圍的活組織隔絕開來。

這也是為什麼一座出色的支架往往以消失為目標。如果材料以恰到好處的節奏緩慢降解，把騰出的空間交給細胞，那麼到頭來就沒有外來者需要被圍堵了——只剩下你自己的新生組織，其間還穿行著它自己的血管。在很多情況下，理想的植入物，是那種做完分內之事便禮貌告退的植入物。

水凝膠：感覺像血肉的固態水

骨頭是硬的，所以骨支架可以是硬的。但你身體的大部分是又軟又濕的——大腦、脂肪、軟骨、器官的壁。把一塊僵硬的塑料丟進這些細胞中間，它們會覺得彆扭，就像布丁裡嵌了一塊磚。答案是一種以水為主、卻仍能保持形狀的材料：水凝膠。水凝膠是由長聚合物鏈構成的鬆散網絡，能吸收大量的水，就像海綿或果凍甜點那樣，膨脹成一種柔軟的固體——你能把它拿起來，可它又像組織一樣能被擠壓變形。

你這輩子一直都摸過水凝膠：果凍甜點、軟性隱形眼鏡、尿布裡的凝膠。同樣的把戲讓它們成為軟組織的極佳支架。它們的軟硬可以調到與大腦、肌肉或軟骨相匹配；水和養分能穿過敞開的網絡去餵養嵌在其中的細胞；又因為它們能在凝固之前先倒出來，你可以把活細胞直接拌進去。一種裝滿了細胞、對細胞友善的水凝膠，就成了一種可列印的膏體——一種生物墨水——而這正引出本章裡最驚人的那件工具。

一層一層地列印組織

生物列印借用了尋常的 3D 印表機，只是把熔融塑料換成了活的生物墨水。噴頭不再製造手機殼，而是嚴格按照一張數位藍圖所指示的位置，一層疊一層地鋪下水凝膠與細胞，直到一小塊組織立在列印台上。它不太像雕刻，更像用一片片薄薄的糖霜壘起一個蛋糕——只不過每一片都是活的。下面大致就是一次列印的流程。

掃描與切片。 從這個部件的三維模型出發——常常來自真實的 CT 或 MRI 掃描——再讓軟體把它切成數百層薄如紙的水平切片，這就是印表機的待辦清單。
裝載生物墨水。 把載有細胞的生物墨水灌進料筒——也許一筒裝肌肉細胞，另一筒裝血管內壁細胞——再加上一種柔軟的支撐凝膠，好在懸空部分凝固之前把它們撐住。
列印第一層。 噴頭沿著最底層那張切片描畫，沿每一條線擠出生物墨水——走的正是蛋糕師裱花的那種路徑，只不過擠出的是細胞。
固化，再疊加。 一個溫和的觸發——光照、溫度變化，或一次鈣浴——把這新鋪的一層鎖定成柔軟的固體，好讓下一層有所依託。平台下降一根頭髮絲的厚度，噴頭隨即返回。
逐層重複。 把數百張這樣的切片疊起來，就自下而上壘出完整的三維形狀——而且關鍵在於，藍圖可以在其中預留中空的通道，供日後血液流過。
在生物反應器中培育。 剛列印好的成品很脆弱。它要在一個溫暖、有養分供給、緩緩流動的艙室裡靜養，好讓細胞安頓下來、彼此連結，並開始表現得像真正的組織，然後才談得上對它有更多要求。

  SLAB OF PRINTED TISSUE          THE OXYGEN PROBLEM
  +------------------------+
  | o  o  o  o  o  o  o  o  |  <- surface cells: fed, alive
  | o  o  [##channel##] o  |  <- printed hollow channel
  | o  o  o  ?  ?  o  o  o  |
  | o  ?  ?  X  X  ?  ?  o  |  <- deep center: too far from
  | o  o  ?  X  X  ?  o  o  |     any supply -> cells starve
  +------------------------+
  every cell must sit within ~0.2 mm of a vessel,
  so the channels above must become living vessels:
  this is the unsolved race called VASCULARIZATION

厚的列印組織為何會從中心壞死：沒有細胞能遠離血液供應而存活，所以那些列印出的通道必須被誘導成真正的血管。

那張圖指向了整個領域屢屢撞上的那堵牆。列印出一個像樣的 *形狀*，正變得越來越容易。可一旦它厚過一兩毫米，要讓它 *活著* 才是難處，因為每個細胞都得緊挨著血液供應——這正是上一篇裡的血管化難題，如今搬到了三維之中。研究者已經列印出能工作的皮膚、軟骨和骨頭的小片，實驗室培育的血管網絡也確實存在並在不斷進步。但一個完全列印、管路俱全、可供人使用的實體器官，卻還不是任何人做到過的事。它仍是地平線上的一個目標，而非醫院裡的一項服務——而這兩者之間這道誠實的鴻溝，恰恰讓站在這裡成了一件如此激動人心的事。