生物材料与身体的接纳

两大材料家族

在上一篇里你认识了支架——那座为失去的细胞提供生长形状的棚架。但棚架的好坏，全看雕它的那块木头。挑选这块材料本身就是一门学问，而这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质，我们有意把它放进活组织内部或紧贴活组织，并要求身体与之共处。一把木椅是一种材料；而一个心脏瓣膜、一根会溶解的缝线、一座软骨支架，则都是生物材料，因为它们必须与你共享同一具身体。

生物材料分为两大家族。天然的那一类直接取自生命——从动物组织中提取的胶原蛋白和明胶、来自海藻的海藻酸盐、来自蚕的丝，或是一副经过脱细胞处理、只剩骨架的供体器官。细胞往往能认出这些东西，就像你认得自己的厨房：抓手与落脚点早已熟悉。合成的那一类则在化学实验室里造出——那些名字拗口的聚合物，比如 PLGA 或聚乙二醇。它们是相反的取舍：对细胞来说有点陌生，却极其稳定一致，可以调到两周或两年内降解，而且周一造的和周五造的一模一样。

生物相容性：做一位好客人

选错了材料，身体不会保持中立——它会开战。所以任何植入物最重要的一项性质，就是它的生物相容性：一种材料能多么平和地与活组织共处，而不激起有害的反应。把它想成做一位好客人。好客人会把自己来做的事做好，把屋子保持干净，不毒害主人，也不挑起斗殴。坏客人则反其道而行之，而身体有三种经典的方式把他赶出去。

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

一种材料要做到生物相容必须通过的三道考验：不下毒、不激怒免疫卫兵、不引发血栓。

请注意，生物相容性不是材料能永远佩戴的一枚勋章——它取决于任务。在骨头里堪称完美客人的材料，到了血液里可能就是个惹是生非的家伙。黄金几乎在哪儿都安安静静；而同一种能做出优良、缓慢溶解缝线的塑料，放进动脉内壁却可能引发炎症。所以工程师从不抽象地问“这东西生物相容吗？”他们问的是：“在 *哪里* 相容、能维持 *多久*、在做 *什么* 时相容？”

异物反应：当卫兵筑起一道墙

即便是一种相当礼貌、但身体无法消化的材料，也会遭遇一种缓慢而顽固的反应，叫做异物反应。想象一个陌生的物体卡在一座小镇里，当地卫兵既搬不走它，也认不出它。在无法将其分解之后，他们退而求其次：把它围起来。免疫细胞涌向表面，融合成毛刺丛生的巨细胞，并铺下一层坚韧的、疤痕般的组织包膜——正是我们认识过的那种致密胶原，即纤维化——把这个闯入者与周围的活组织隔绝开来。

这也是为什么一座出色的支架往往以消失为目标。如果材料以恰到好处的节奏缓慢降解，把腾出的空间交给细胞，那么到头来就没有外来者需要被围堵了——只剩下你自己的新生组织，其间还穿行着它自己的血管。在很多情况下，理想的植入物，是那种做完分内之事便礼貌告退的植入物。

水凝胶：感觉像血肉的固态水

骨头是硬的，所以骨支架可以是硬的。但你身体的大部分是又软又湿的——大脑、脂肪、软骨、器官的壁。把一块僵硬的塑料丢进这些细胞中间，它们会觉得别扭，就像布丁里嵌了一块砖。答案是一种以水为主、却仍能保持形状的材料：水凝胶。水凝胶是由长聚合物链构成的松散网络，能吸收大量的水，就像海绵或果冻甜点那样，膨胀成一种柔软的固体——你能把它拿起来，可它又像组织一样能被挤压变形。

你这辈子一直都摸过水凝胶：果冻甜点、软性隐形眼镜、尿不湿里的凝胶。同样的把戏让它们成为软组织的极佳支架。它们的软硬可以调到与大脑、肌肉或软骨相匹配；水和养分能穿过敞开的网络去喂养嵌在其中的细胞；又因为它们能在凝固之前先倒出来，你可以把活细胞直接拌进去。一种装满了细胞、对细胞友好的水凝胶，就成了一种可打印的膏体——一种生物墨水——而这正引出本章里最惊人的那件工具。

一层一层地打印组织

生物打印借用了寻常的 3D 打印机，只是把熔融塑料换成了活的生物墨水。喷头不再制造手机壳，而是严格按照一张数字蓝图所指示的位置，一层叠一层地铺下水凝胶与细胞，直到一小块组织立在打印台上。它不太像雕刻，更像用一片片薄薄的糖霜垒起一个蛋糕——只不过每一片都是活的。下面大致就是一次打印的流程。

扫描与切片。 从这个部件的三维模型出发——常常来自真实的 CT 或 MRI 扫描——再让软件把它切成数百层薄如纸的水平切片，这就是打印机的待办清单。
装载生物墨水。 把载有细胞的生物墨水灌进料筒——也许一筒装肌肉细胞，另一筒装血管内壁细胞——再加上一种柔软的支撑凝胶，好在悬空部分凝固之前把它们撑住。
打印第一层。 喷头沿着最底层那张切片描画，沿每一条线挤出生物墨水——走的正是蛋糕师裱花的那种路径，只不过挤出的是细胞。
固化，再叠加。 一个温和的触发——光照、温度变化，或一次钙浴——把这新铺的一层锁定成柔软的固体，好让下一层有所依托。平台下降一根头发丝的厚度，喷头随即返回。
逐层重复。 把数百张这样的切片叠起来，就自下而上垒出完整的三维形状——而且关键在于，蓝图可以在其中预留中空的通道，供日后血液流过。
在生物反应器中培育。 刚打印好的成品很脆弱。它要在一个温暖、有养分供给、缓缓流动的舱室里静养，好让细胞安顿下来、彼此连结，并开始表现得像真正的组织，然后才谈得上对它有更多要求。

  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

厚的打印组织为何会从中心坏死：没有细胞能远离血液供应而存活，所以那些打印出的通道必须被诱导成真正的血管。

那张图指向了整个领域屡屡撞上的那堵墙。打印出一个像样的 *形状*，正变得越来越容易。可一旦它厚过一两毫米，要让它 *活着* 才是难处，因为每个细胞都得紧挨着血液供应——这正是上一篇里的血管化难题，如今搬到了三维之中。研究者已经打印出能工作的皮肤、软骨和骨头的小片，实验室培育的血管网络也确实存在并在不断进步。但一个完全打印、管路俱全、可供人使用的实体器官，却还不是任何人做到过的事。它仍是地平线上的一个目标，而非医院里的一项服务——而这两者之间这道诚实的鸿沟，恰恰让站在这里成了一件如此激动人心的事。