一台给活细胞裱花的机器
想象一位糕点师往蛋糕上裱奶油。奶油从喷嘴里挤出，是一条细细的、受控的线；糕点师沿着某条路径移动喷嘴，一朵花就准准地出现在他瞄准的位置。现在把奶油换成一团塞满了活细胞的柔软凝胶，再让一台计算机按照三维蓝图读出的路径来操控喷嘴。一句话，这就是生物打印——组织工程的一个分支，它造组织的方式就像 3D 打印机造塑料玩具，只不过这里的「塑料」是活的。
这种「奶油」有个名字：生物墨水。它的主体是一种柔软、富含水分的果冻状物质，叫水凝胶——可以想成一块很结实的水果果冻——细胞像悬在凝固果冻里的果粒那样，均匀地拌在其中。这块水凝胶同时干着两件活儿。喷嘴移动时，它得像牙膏一样能流动，好被顺滑地挤出去；一落地，它又得马上撑住形状，好让下一层有个可以坐落的底座。等打印一结束，这同一块果冻就成了细胞临时的家——一种柔软、用完即弃的支架。
一层一层地造
生物打印机从不会一次看见整个物体。就像一个砌墙工只管砌眼前这一皮砖，它把组织当成一摞薄如纸的水平切片，从地板往上一片片地造。整个流程从一份数字设计一路走到一块活着、安定下来的组织——而那些细胞自始至终都活着、等着，这也正是为什么每一步都是在跟时间赛跑。
- 设计蓝图。 从一份三维模型出发——常常是一张真实的 CT 或 MRI 扫描——让软件把它切成数百张薄如纸的层，就像把一条面包一片片读过去。软件为每一层写好一条路径：该放细胞的地方画实线，让孔隙和通道留空的地方留缺口。
- 装载生物墨水。 给料筒灌进载有细胞的生物墨水——也许一筒装肌肉细胞，另一筒装血管内壁细胞——每一筒都调到软牙膏般的稠度：稀得能挤出来，又稠得能立住一条线。
- 打印各层。 喷嘴在打印台上描出最底下那张切片，接着一个温和的触发——通常是光、温度变化，或一浴钙液——把刚铺好的水凝胶固化成柔软的固体。台面下降一个层厚，喷嘴再在上面描出下一张切片。如此重复几百次，一个三维的块体便慢慢升起。
- 在生物反应器里成熟。 刚下打印机时，组织不过是一团塑了形、塞满松散细胞的果冻。它被送进生物反应器——一个温暖、持续供给养分的培养箱——在那里，经过数天到数周，细胞抓住柔软的支架，彼此织连成片，开始表现得像真正的组织，而那块用完即弃的凝胶则慢慢溶掉。
DESIGN PRINT LAYERS MATURE
------ ----------- ------
/\ nozzle warm bath
/CT\ slice | + nutrients
\scan/ --> v ___ ~~~~~~~~~
\/ [bioink] ( o-o-o-o ) cells
=========== layer 3 ( o-o-o-o ) knit
=========== layer 2 ( o-o-o-o ) together,
=========== layer 1 ~~~~~~~~~ gel
----------- build plate bioreactor dissolves
blueprint -> squeeze + set, rise -> living tissue为什么医院里还没有打印好的器官在等你
很容易以为我们已经能按需打印一颗心脏了。其实不能，而且值得老实说清楚为什么。两堵顽固的墙挡在路上：分辨率和存活。分辨率，指打印机能铺出多细的一条线。身体里最细的那套管路——给每个细胞供养的毛细血管——比一根头发还细，而大多数打印机根本画不出这么细的线。结果就是一块没有自带管路的组织。
存活是更深的难题，它有个名字，你在这道阶梯上还会再遇见：血管化瓶颈。每个活细胞都必须待在离氧气供给大约 0.2 毫米的范围内——差不多两根头发的宽度。打印一块薄薄的贴片，氧气从表面渗进去，于是人人有份。打印一个厚厚的块体，正中深处的细胞还没等到任何血管伸到跟前，就先憋死了。下面的示意图画出了这种差别，也画出了为什么「预先留一条通道」往往是第一步棋。
THIN PATCH (lives) THICK BLOCK (dies inside)
O2 soaks in from top outer rim fed
v v v v v v v v v v v v
[ o o o o o o ] [ o o o o o o o o ]
[ o o o o o o ] [ o o . . . . o o ]
[ o o o o o o ] [ o o . X X . o o ] <- dead core
every cell [ o o . X X . o o ] (>0.2 mm
< 0.2 mm from O2 [ o o . . . . o o ] from O2)
[ o o o o o o o o ]
o living . struggling X dead
FIX: print a hollow channel so vessels can grow in
[ o o o ==CHANNEL== o o o ]
[ o o o o o | | o o o o o ] seeded so blood vessels
[ o o o ==CHANNEL== o o o ] invade and feed the depths它在这道阶梯上的位置
退一步看，这个领域的逻辑就豁然贯通了。支架是那架藤蔓棚，告诉细胞该长成什么形状。生物打印不过是把这架棚连同细胞一起、最精确地搭起来的办法——按一张地图安放每一种细胞，而不是把什么都拌在一只培养皿里。柔软的水凝胶生物墨水既是墨，又是临时的家。而这一整套努力，只是组织工程这门更大手艺里的一件工具。