在2011年的TED（技术、娱乐和设计）大会上，威克弗里斯特大学研究员安东尼·阿塔拉的出现引起了不小的轰动，人们以为他要演示如何打印一个真实的人的肾脏。人们对此兴奋不已，因为器官移植名单上90％的患者都在等待肾源。然而，随后证实，通过3D打印技术打印出鲜活的肾脏仍然处于早期研究阶段。“肾脏打印”实际上是一项实验室里的实验，其中涉及通过3D打印技术打印出具备过滤血液与稀释尿液功能的类似肾脏的组织。
阿塔拉在TED大会上的演示让人们意识到通过3D打印技术打印身体部位的可能性。阿塔拉作为再生医学的长期推崇者与生物打印的研究先驱，一直对此持乐观态度。在接受一家大型金融公司的采访时，阿塔拉说：“毫无疑问，有一天—也许通过一代人的努力，你可以拥有一个由你自身细胞组织制造的心脏，这是不是很神奇？”
3D打印：让你一夜之间年轻20岁
莎士比亚曾将暮年比作“可怕的冬天”。许多文化中都有讲述神秘的“青春之泉”让人青春永驻的故事。在一篇中世纪的小说里，“青春之泉”的治疗神力可以让年迈的士兵变为年轻的战士。
当最小年龄也已经46岁的老战士们在“青春之泉”中沐浴后，他们都变成了30岁的小伙子，就像是最为出色的骑士。其他老人们见状说：看我们（和你们相比）是多么苍老、多么虚弱啊？我们已经活了100多岁，而现在我们正以崭新的姿态出现在你们面前。他们按照指示进入“青春之泉”并沐浴了四次，出浴时欣喜若狂，当他们回去拜见亚历山大大帝时，他几乎无法认出他们，他们是那么年轻。
尽管经过几百年的探索人们还未找到“青春之泉”，但是在现代社会中，人们正在不断地探索外科整形、关节置换、心脏瓣膜更新、具有奇效的维生素补充剂与护肤霜。3D打印技术也许可以终止这些探索。打印所需的身体部位将帮助那些需要器官移植或已失去关节的人。收入较多的人可以定制身体的某个部位，以便从事喜爱的休闲活动。到2072年，国际奥林匹克委员会将需要决定是否禁止拥有生物打印器官的运动员参加比赛。
今天，3D打印某个身体部位仍然处于构想阶段，打印活性组织对于假设出来的漫长的“3D打印生命阶梯”来说只是一个开始。
想象一下把身体各部位根据复杂性排列成一个很高的阶梯。无生命的假肢会位于阶梯的底层；中层将是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将会是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑；生命阶梯的顶层将是完整的生命单位—也许有一天将会是具备完整功能的人造生命形式。如今，3D打印技术已经实现所构想的阶梯的底层，我们正在探索中间级并梦想着有一天可以到达最高级。
3D打印生命阶梯
在特拉华州一所高中的毕业典礼演讲中，乔·拜登描述了一个美妙的未来：“通过使用3D打印机，我们将能够使受到外伤或烧伤的组织复原。这一目标指日可待。”拜登的说法虽有点儿大胆，但并非完全不靠谱。
让我们从位于阶梯底层—替换无生命的“身体部位”，如牙冠或假肢说起。第一波3D打印身体部位的商用浪潮已经出现，这些部位就位于行走中的普通人的身体中—可能也包括你。3D打印的骨植入物、牙冠、隐形眼镜与助听器等无生命修复形式已经存在于世界各地成千上万人的体内。
菲尔·里夫斯是致力于3D打印行业的咨询公司Econolyst的总经理。据他估计，目前“全球3D打印助听器的使用者大约有上千万”。隐藏在病人牙齿上以矫正牙齿的隐适美（3D打印的、可定制的、透明的一次性塑料矫正器）已经取得了巨大的商业成功。据估计，目前全球3D打印牙种植体的使用数量已经达到50
万~75万个。
与3D打印的高端钛合金飞机部件一样，3D打印的人体部位也意味着小批量、数字化的定制生产。3D打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似：先对身体出现问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室，在那里这些数据被调整为可行性设计文件，最后，按照设计文件用软橡胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行3D打印。
图7–2?每天3D打印约5万个定制隐适美矫正器
图片来源：Align Technology, Inc.
目前，3D打印身体部位采用单一的材料，如金属、陶瓷或塑料。它们具有商业意义，因为它们的市场价值来自它们能够与一个形状特殊的身体紧密贴合。它们可自定义形状、可小批量生产，对于制造商而言不存在规模经济（可获利），这些特征使它们成为3D打印的完美对象。这也使过去的监管障碍变得相对简单。与活性组织或药物不同，在身体中植入“螺栓组件”涉及更少的健康风险，其副作用也是可以预见的。
怎样的假肢富有吸引力？据美国一个倡导组织—截肢者联盟（Amputee Coalition）发布，目前美国约有200万人使用假肢。他们使用的假肢与从残酷的“二战”战场上退役的士兵们使用的假肢相比并没有很大改变。假手由金属制造，通过钳形的钩子可以抓住小型物品。
总部位于旧金山的小公司Bespoke Innovations（定制创新公司）设计并3D打印定制假肢，该公司最近被3D系统公司收购。该公司的创始人之一斯科特·萨米特说：“制造假肢的方法多年来并没有发生太大的改变：将一块泡沫粗略削成一个人腿的形状，然后做一个模具，把泡沫放入其中，去掉多余部分。”
假肢制造科学实现的大飞跃应归功于医学成像技术、设计软件以及新材料的改进，而3D打印为截肢者和医生带来了全新的高度定制化。Bespoke公司设计的3D打印假肢可以与使用者的身体和生活方式充分吻合并迎合他们的审美。
Bespoke公司的制造过程首先是对患者“健康”的腿和他们目前的假肢进行扫描，对扫描数据建模形成设计文件，然后将“健康”的腿叠加到假腿的数字图像上，以确保新定制的肢体能够保持身体的对称。当客户选定属于自己的独特设计后，Bespoke公司将其3D打印出来。
图7–3?一个时尚的假肢
图片来源：3D Systems
Bespoke公司的在线工具（Configurator）允许客户对一系列设计风格进行选择，包括腿的图案、镀层材料以及罩面漆，通过生动的时尚赛车图案或别致的文身满足并体现使用者的喜好。该公司将其制造的假肢命名为“fairings”（美妙的罩），取义专业、时尚、高端的摩托车外罩。
Bespoke公司网站是这样介绍其产品的：“Bespoke Fairings……不仅使已失去的外形得以修复，更是一种前所未有的个性表达。”使用Bespoke假肢的人的照片显示了他们心态的转变：过去总是隐藏他们的假肢，而现在Bespoke的客户则是自豪地穿着他们的假肢。
如果我们回到“3D打印生命阶梯”并上升一个梯级，我们将来到3D打印骨植入物。3D打印骨植入物与人造关节目前仍是探索性医学课题。截至目前，使用3D打印的定制钛合金人造关节的患者是幸运的（或者可以说有足够的勇气），他们接受了先进的或者说试验性的医疗。
绝大部分标准的聚合物或钛合金骨替代物是注塑模具。那些限制塑料或金属机器部件制造的条件同样也限制骨骼制造。例如，不同的骨骼部位必须分别注模，然后再组装起来。刚成形的骨骼需要精确的冷却条件以保证它们不会收缩或变形并保持清洁。冷却过度可能使一块新聚合物骨骼变得易碎，而冷却不足将导致骨骼太软，使用时易受到污损。
3D打印的钛骨植入物已获得监管部门的批准，但打印的聚合物骨植入物还没有被批准。一旦打印的聚合物骨植入物获得监管部门的批准，它们将带来新的发展，因为聚合物具有钛和陶瓷所缺乏的特性。例如，3D打印的聚合物骨骼可以注入具有生物活性的促进骨生长的添加剂和活性药物成分，如抗生素或消炎药。一个3D打印的头骨可以以无可比拟的精度喷射这些具有生物活性的化学物质。
2012年有一则轰动全球的新闻，一支外科医疗团队完成了一个极具挑战性的手术：他们将3D打印的钛合金骨插入一位83岁患有口腔癌的比利时妇女的下巴。医疗团队首先对她的下巴进行了CT扫描。然后埃克兹洛克设计与移植公司（Xilloc）将CT扫描数据转换成可打印的设计文件，并通过计算机算法在下颌骨上增加了数千个不规则的凹槽和空洞。通过这种方式，她的血管、肌肉和神经可以更快地与新下颌骨结合，从而完全融入她的身体。
致力于高端医学3D打印技术的比利时莱尔怀兹公司（LayerWise）打印出这块钛下颌骨，方法是用激光照射钛粉，熔化3 000个精密排列的层，最后在打印的骨表面镀上陶瓷。手术几个小时以后，这位妇女就可以讲话甚至喝汤了。
组织工程学：3D打印干细胞
“bionic”（仿生）一词由希腊词“bios”（生命）和“electronic”（电子）中的“onic”组合而成，这个词的流行源自20世纪70年代一个非常受欢迎的电视节目，主角是史蒂夫·奥斯汀，即“仿生男人”（the Bionic Man）。而史蒂夫了不起的另一半“仿生女人”（the Bionic Woman）也成功地推出，并在《仿生男人》中不定期地客串。
由于在体内植入了一些非常昂贵的人造部件，“仿生男人”和“仿生女人”都有超人般的力量和激光般敏锐的头脑。在这些节目播出的国家，播出时段几乎所有的小孩都乖乖地守在电视机旁。我记得我和我的一帮朋友像慢镜头似地奔跑，一边做出夸张的身体动作或假装从敌人的防线下勇敢地逃跑，一边制造出电子
配音。
几十年前，仿生部件听起来很有前途。但未来仿生身体部位的概念将听起来有点儿原始：它们容易出现故障、不能与身体充分融合，而且不能改进，这一点与目前人工置换髋关节和膝盖的限制类似。仿生部件未来将被定制设计的3D打印组织替代。
如果塑料是行业青睐的原始打印材料，那么干细胞将是生物打印的宠儿。再生医学越进步越倾向于回归自然。组织工程学的未来在于3D打印干细胞，经过精确配置让它们生成活性组织。
干细胞是人体的原始组成部分，在制造身体部位方面，它们比我们更擅长。干细胞具有非专属性，也就是说它们不会专门地生成身体某个部位的细胞。因此，干细胞可以分化为人体中已发现的约210种细胞类型中的一种。从医学角度讲，干细胞简直就是千足金。
20世纪80年代，研究人员从未出生的胎儿身体组织上发现并提取了第一个干细胞，引发了有关医学伦理的争论。此后，研究人员陆续发现了更多的干细胞，包括一些分散在成人身体上不同部位的干细胞。最近，研究人员发现一些已经分化的细胞甚至能够恢复到它们分化前的状态。
哥伦比亚大学杰里米教授3D打印出实验兔的新型臀骨并接种干细胞。首先，杰里米和他的团队分离出实验兔的臀骨并拍照，然后将图像转换为设计文件，3D打印出人造臀骨，然后将干细胞洒在人造臀骨上并重新植入实验兔体内。4个月后，所有的实验兔都可以自如行走，有的甚至在术后几周就可以用臀部承载一定的重量。
杰里米和他的研究团队设计了带有细小而弯曲的微通道的置换骨，它可以促使干细胞爬到植入物的表面，从而帮助实验兔更快地愈合。在其他实验中，杰里米团队打印出实验鼠的置换门牙，撒上干细胞，并将置换物植入实验鼠的口中。9周后，由于门牙具有了理想的形状以及干细胞的注入，新的牙周韧带和骨骼接受了这一义齿。
无独有偶，与哥伦比亚大学杰里米教授的研究团队采用的方法类似，华盛顿州立大学的研究人员用磷酸钙、硅、锌粉制成了喷雾3D打印骨骼。细小的雾滴形成约20微米厚（人头发丝直径的一半）的薄层。研究人员在打印骨上喷上不成熟的人骨细胞。通过这种方法，不成熟的骨细胞在新环境中茁壮成长，并最终成为成熟的活性骨骼组织。
干细胞、生物墨与生物纸：3D打印活细胞
医学词典将组织定义为“共同实现某些特殊功能的相似特性化细胞的聚集”。我们的身体由不同类型的组织构成，从脂肪细胞组成的脂肪组织到缓冲我们关节的软骨细胞组成的软骨组织，再到完成复杂网络连接的神经元组成的神经组织。软组织通过内部支撑结构保持其形状。
当我们可以打印出活细胞并让它们成长为活性组织时，我们已经成功地到达了所假设的“3D打印生命阶梯”的最高级。真正的生物打印如我们所定义的创造活性组织，而非无生命的替换部位。生物打印涉及如何通过3D打印机将活细胞植入正确的位置，以制造具备一定功能的不同活性组织。
研究人员对于“生物打印”有着各种不同的定义，随着该领域的不断发展，“生物打印”一词可能承载更多的含义。对“生物打印”的一种理解是“活墨”的使用，即内部悬浮着活细胞的可打印凝胶。当活细胞被推压至打印头时，这种特殊的“水凝胶”会对活细胞起到保护作用。一旦“活墨”被打印出来并放到合适的地方，水凝胶将保持组织所需的结构。活细胞会分泌出一种物质进入水凝胶，从而最终形成一个支撑母体。随着活细胞的继续成长，母体会发展成软骨或其他类型的活性组织。
将活细胞放在正确的位置有点儿像将菜园中各类蔬菜种植在正确的位置从而得到最理想的光照。所有干细胞并不是完全相同的。到目前为止，在建造“完美的菜园”使干细胞位于最合适的位置方面，自然的力量还是远远大于人类或计算机的能力。
利用“活墨”3D打印软组织的主要优点之一是打印机可以将细胞喷射成精确的图案与形状。采用多个打印头的打印机可以更好地进行打印，每个打印头可填充不同的细胞类型。因此，一个打印头可以打印一种类型的细胞，而另一个打印头可以打印不同材质的水凝胶。通过借鉴多材料3D打印概念并将其应用到生物世界，研究人员向构建能够模仿自然的复杂形状、内部结构以及细胞多样性的人造组织这一目标又迈进了一大步。
将细胞放在正确的位置是一个挑战，另一个挑战是确保细胞的放置可以使其最终形成正确的形状。细胞的位置和生成组织的形状是器官实现功能的关键。生长因素也要打印并加以考虑。
例如，心脏组织要求高细胞密度以确保心脏有规律地跳动。如果植入人造心脏组织支架上的细胞不是紧密相连，将造成不规则的心跳。由于组织的设计是基于计算机的控制，利用“活墨”生物打印的组织将是精确的，并且可以重复设计。
最后，另一个人类尚未解决的问题是活细胞需要一个“启动”按钮。目前，尽管研究人员可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置，但是仍然没有人准确地知道如何启动种子细胞。自然知道如何让一个器官开始运作，但我们仍不知道。
美国密苏里大学和耶鲁大学组成的一个研究团队创造了词汇“bioink particles”（生物墨粒子：多细胞球体）和“biopaper”（生物纸：生物兼容凝胶）。在《自然》杂志的一篇文章中，美国密苏里大学的研究人员加博尔·弗加斯（Gabor Forgacs）教授介绍了他的方法：“将你的细胞交给我们，我们培育它们、打印它们，结构一旦形成，我们就准备好了。”
他的团队使用的是一台定制的3D打印机，最初是用来制造微电子：
打印机有三个打印头，每个打印头都由连接的计算机控制，像普通打印机可以放入墨一样，这台打印机可以放入细胞球体。
两个打印头打印出组织细胞（包括心脏和血管内皮细胞等的混合物），而第三个打印头打印“间隙填充物”（如胶原蛋白）以暂时填充空间直到与其他细胞融合。因此，为了制造血管，细胞被铺开，其中加入胶原蛋白，而之后胶原蛋白将被提取出来为血液让路。
要理解为什么生物打印具有如此大的潜力，我们可以简单地把它与组织工程学的现有方法进行比较。
数十年来，人们一直通过一个“两步法”制造活性组织。第一步是使用某种生物可降解材料设计组织的支架。为了使用传统方法制造设计的支架，研究人员需要为它建模、雕刻出来，或使用化学品蚀刻出一个多孔的形状。第二步是利用活细胞培育出这个支架。
与这种方法相比，3D打印可精确地打印出活细胞的形状，让其形成自己的母体，并最终成为支架。传统的组织工程技术已经帮助无数患者获得了失去的软组织，然而，其中存在许多局限性。
正如研究人员米格尔·卡斯蒂略、伊纳·皮雷斯、芭芭拉·戈维亚和若热·罗德里格斯所描述的：
这些技术存在许多弊端，比如大量使用高毒性有机溶剂，制造周期长，劳动密集型流程，无法完全去除聚合物基体里的残留颗粒，重复性差，毛孔呈现不规则形状，毛孔间无法充分连接，结构偏薄等等。此外，这些方法多数无法控制形状。
换句话说，手动创建的人造支架可以生物降解并以无序的方式分散细胞和颗粒。此外，基于预先形成的接种活细胞的支架上的组织可能不会与患者现有的活性组织完全融合。由于人体组织有许多特殊而精密的形状，因此很难制造出具有精确轮廓的组织支架。最重要的问题是，在现有的支架里培育多种细胞类型是非常困难的。
打印活性软骨
软骨是展示自然神奇的组织工程能力的一个典范。人体内的软骨能够多年保持其形状不变，或对我们的关节提供缓冲，以承受数年的冲击。关节软骨作为保护层可以防止骨骼间的相互摩擦，从而对膝关节起到保护作用。软骨也使我们的耳朵与鼻子可以弯曲，并在扭曲时保持弹性。
与骨骼一样，软骨组织也是由几种细胞类型组成的简单组织，不包含静脉，而且用途相对简单。软骨不需要消化食物，不需要听从神经细胞的指令，也不需要快速响应环境影响。但是，制造像软骨这样相对简单的组织也不是目前医学上能轻而易举完成的事情。
软骨是一个基本组织，但不幸的是，至今我们还没有可行的方法制造人工替换软骨。如果你打了多年壁球或者是一名专业长跑运动员，你会知道，一旦你的关节软骨磨薄了，这就意味着磨去的部分没有了，不会再变回原来的厚度。关节之间缺少软骨将是毁灭性的，这将使数百万人遭受膝、肘、髋关节以及手指的疼痛和骨关节炎。
3D打印有望制造人造软骨。在康奈尔大学，我与丹尼尔·科恩、拉里·博纳萨3D打印了羊的半月板。首先，我们对羊的膝关节进行了核磁共振成像扫描并将图像数据形成一个设计文件。其次，我们从羊身上提取了活细胞，并搅拌进医疗性水凝胶。最后，我们通过一个3D打印机打印头（相当于一个注射器）对凝胶混合物进行挤压。在后来的研究项目中，拉里3D打印出真正的人耳软骨，它的设计文件来自对外耳的光学扫描数据。
人体是复杂的，就连制造一个像软骨这么简单的组织也是一个复杂的过程。虽然可以3D打印出活性软骨，但这也只成功了一半。我们还没有解决第二个更关键的挑战，我们的关节是用来做苦力的。在人造软骨被移植到体内之前，需要增强其韧性和适应性。因此，软骨在被植入前必须在研究实验室内进行机械应力的实验。
就像一个被宠爱的孩子一样，人造软骨在有盖培养皿中享受着特权生活而无须面对现实生活的无情冲击。在没有外部压力的情况下，比如游泳或打网球，人造软骨会保持松弛和脆弱。如果人造软骨在未加固前植入膝盖，很快就会被压扁到不成形。当我和丹尼尔、拉里向一些专业的外科医生展示我们的第一批3D打印羊软骨时，他们很快就否定了它们，因为他们发现打印的软骨太脆弱了，甚至不能承受简单的缝合。
研究人员正在寻找这个问题的解决方案，一个可行的方法是将人造组织放在一个生物反应器中以模仿真正的组织成熟方式。为了使生物打印软骨能够投入实际应用，也许可以通过水凝胶材料的进步解决这个问题。另一种可能的解决办法是在生物打印软骨的初期，创造性地运用其他压力来源（比如光、热或声音振动）。的确，软骨也需要“严格的磨合”。
打印心脏瓣膜
软骨可能是一个相对简单的活性组织，但有些类型的软骨却更加复杂与关键。例如，如果你的膝盖或肘部的软骨受损，你可以继续生活（虽然会有阵痛），但是如果你心脏瓣膜中的软骨不工作了，那么你死于心血管疾病的风险将增加50％。
没有器官比心脏更重要。心脏是由肌肉、血管和软骨组成的，它们在射向整个身体的电脉冲所精心设计的复杂程序里共同协作。一个人每天平均心脏跳动近10万次。事实上，心脏每年要承受自身的冲击约8 000万次，平均一生约50
亿~60亿次。
医学上最棘手的心脏部位之一是薄薄的纤维瓣膜。人的心脏被瓣膜分成四个心腔。心脏瓣膜就是在血液从一个心腔流向另一个心腔时，为控制血流方向而精确地进行开关闭合的单向通道。如果这些瓣膜不能正常工作，患者的心脏最终将走向衰竭。据美国心脏协会报告，每年有500万美国人被诊断出患有心脏瓣膜疾病，而心脏瓣膜缺陷是一种常见的先天性疾病。
心脏瓣膜非常小，新生儿的心脏瓣膜有10美分硬币大小，成人的也只有25美分硬币大小。血液必须按照一个方向进行脉冲。如果心脏瓣膜出现机械性不足，它就会开始慢慢泄漏，有点儿像一个企业中由于一名不称职员工的偷工减料，最终导致几个重要职能部门慢慢瓦解。如果瓣膜增厚或变得僵硬也可能导致心脏衰竭。
也许有一天3D打印的心脏瓣膜可以解决这一切。美国康奈尔大学的乔纳森·布彻教授是生物工程人造心脏瓣膜领域的主要研究人员之一。我去康奈尔大学生物工程学院拜访了乔纳森，这个学院位于一个崭新的白色大理石建筑中，冰冷的石头地面放大了脚步的回声。整个气氛太肃静了。接待区超大的四方中厅会让到访者感到空旷，而显得人类是那么渺小。
乔纳森的办公室与刻板、空旷的环境形成了一定反差。两幅多彩的油画为办公室增添了温暖，这是乔纳森班上一名本科生送给他的礼物。乔纳森告诉我：“这名学生画的是从不同阶段的鸡胚胎中分离出来的心脏。”我请他解释一下现在人造心脏瓣膜面临的挑战。他说：“目前外科医生更换心脏瓣膜有两种方法，其中一种是机械心脏瓣膜或者牛或猪的瓣膜，把它们像一张软皮一样清洗干净。”
目前可获得的心脏瓣膜无论是机械的还是动物的都存在严重缺陷。一个机械心脏瓣膜的好处是它被植入后能维持很长一段时间。然而，一个机械心脏瓣膜可能产生血块，脱落后可能进入大脑。这就是为什么使用机械心脏瓣膜的人必须服用稀释血液的药物，这就引发了另一方面的医学挑战，以及对职业与生活方式的限制。
来自动物（通常是猪）的心脏瓣膜不需要血液稀释剂，但无法维持很长时间。移植的动物瓣膜不足以支撑年轻患者的长期身体活动。此外，无论是机械的还是生物衍生的人工心脏瓣膜都不能与它们的机体共同生长，这就意味着使用者必须重复进行心脏手术以植入越来越大的瓣膜。
乔纳森解释说，未来某一天外科医生将用一种全新的方法挽救患者的生命：为患有先天性缺陷的孩子直接植入一个3D打印的全新的心脏瓣膜。乔纳森认为，这个解决方案的关键部分是破解胚胎中的干细胞是如何发育成成熟的心脏瓣膜细胞的。乔纳森相信，如果他能深入了解这个成熟过程，他将向未来生物打印功能健全的人造心脏瓣膜迈进一大步。
乔纳森的研究目的是破解生物打印的三大难题。首先，他要解决老生常谈的“严格的磨合”的问题。与关节软骨一样，打印的心脏瓣膜必须放在生物反应器中“稍稍捶打”才能够正常工作。
乔纳森正在尝试以单一的“打印任务”完善多种不同类型干细胞的生物打印的方法。为模仿大自然将许多不同类型的细胞组成精确而具有一定功能的形式，乔纳森一次使用多个打印头进行“活墨”3D打印。为了一次生物打印不同类型的干细胞，乔纳森改装了一台具有多个打印头的Fab@Home生物打印机。
最后，因为生物打印的定义是多材料打印，乔纳森正在开发一种软件，可以设置多个打印头的运作，而每个打印头中包含不同的细胞类型。他说：“一台3D打印机可以按照设计文件的指示打印一种类型的材料。所以我们必须发明一种软件算法，使一个设计文件管理多打印头的3D打印机，从而使我们能够一次打印多个不同类型的细胞。”
乔纳森的主要关注点是为准备生物打印的干细胞定义最佳的形状。由于心脏瓣膜上的细胞必须紧密排列在特定位置才能工作，因此细胞定位是至关重要的。干细胞就像勤奋、自主的员工一样，它们只是需要恰当的工作环境。“把一个干细胞想象成一只工蜂。”乔纳森解释，“如果你能够找到一种方式将某种类型的干细胞准确地打印在组织的正确位置上，就好像让一个干细胞走进一间空的办公室，然后开始自己寻找需要做的工作。”
随着乔纳森等研究人员不断破解3D打印活性组织的奥秘，我们希望器官移植的风险在未来完全消失。3D打印来自患者自身的干细胞的美好之处在于患者的免疫系统会更容易接受打印的替换器官。与人工心脏瓣膜使用者服用的血液稀释剂一样，使人衰弱的免疫抑制药会引发一系列副作用，而由一个孩子自身干细胞打印的心脏瓣膜植入物将能够与身体共同生长并自我修复。
我们能设计、打印自己的身体吗
不管设计人员的技术如何娴熟，都不可能启动计算机运行“身体的CAD”软件程序。虽然一些新兴软件类型在向这方面发展，但对于一个身高1.78米、体重130斤且右内侧韧带反复受伤的女跆拳道黑带选手来说，为她设计一个新膝盖是不可能的。
商用设计软件的起源是工程学（产品设计）或计算机绘图（动画或电子游戏）。设计软件工具存在局限的一个原因是在此之前没有人曾想到我们会需要计算机辅助设计身体。如果你想这样做，制造新的身体部件可能与制造新机器部件或创作一部新动画电影具有一样的设计流程。
为了对“身体的CAD”概念有一个更深入的了解，我来到了西部虽然偏远但环境优美的世界一流科研型大学—犹他大学。几十年来，犹他大学一直是数字成像技术创新的摇篮。犹他大学校友名单上的名字几乎全部与计算机图形有关：奥多比系统公司创始人之一约翰·沃诺克、皮克斯动画工作室创始人艾德·卡特莫尔、硅谷图形公司及后来的网景公司创始人吉姆·克拉克，另一位校友诺兰·布什内尔在雅达利公司工作期间创作了第一个成功商业化的电子游戏《攻破对方大门》（Pong）。
位于盐湖城的犹他大学依偎在群山的怀抱中，这里夏季是郁郁葱葱的绿色植被，冬季则是白雪皑皑。对于习惯了美国东海岸不那么四季分明的人而言，盐湖城就像月面景色。像一个价值数百万美元的月球表面研究站，犹他大学成立于1994年的举世闻名的SCI研究所（科学计算与成像研究所）就坐落在校园的一角，透过窗户可以远眺层叠的山峰。
犹他大学SCI研究所的研究目标是融合医学成像、可视化、科学计算和大数据研究等领域。犹他大学给人的一种感觉是万事皆有可能。犹他州人烟稀少，但拥有几个国家公园和穿越原野的风景秀丽的公路，是滑雪者和徒步旅行者的天堂。
在窗台上摆放着兰花的安静的办公室中，我拜访了SCI研究院的创始人克里斯·约翰逊。克里斯非常冷静，从容不迫，他温文尔雅的举止背后是这样一个事实：过去这些年，他在生物医学计算和成像领域的工作为他赢得了一系列奖项，其中包括最近赢得的“美国电气和电子工程师协会查尔斯·巴贝奇奖”—相当于计算领域的“奥斯卡终身成就奖”。对于我的突然到访，他依然彬彬有礼，并专门带我参观了SCI研究院崭新的四层大楼。
我问了克里斯一个关键的问题：将来是否会用商用设计软件设计和改进人的身体部位？他的回答是“可能会”。
克里斯解释说：“现在从几何的角度来看身体过于复杂，而CAD模型则是基于常规的几何形状。”也就是说，我们的身体非常复杂，是由各种材料和复杂形状的组织、骨骼和血管组成的。目前依靠现有的软件和硬件还不可能捕捉足够的细节3D打印真正的活性组织。
克里斯看到了他所说的医疗成像、大数据、电子游戏动画和传统的计算机辅助设计软件的“大融合”。SCI研究所的科学家们在探索如何以数字形式捕捉和模拟人体，以及开发未来在3D打印活性组织中发挥至关重要作用的软件。其他研究人员正在开发计算机算法，从而巧妙地将扫描的问题器官的横截面与单一的3D计算机模型联系在一起。他们面临的主要挑战仍然是如何最有效地管理医学成像过程中产生的大量数据。
在更大范围的计算机行业里，商业视频游戏设计者们在捕捉表面细节方面取得了重大突破，并能够更好地理解如何以图形方式描绘我们身体的移动。医疗机构在捕捉人体内更精确的数字细节方面取得了巨大进步。学术界的科学家们也正在建立前所未有的更强大算法，模仿、预测和分析来自于生物系统的数据。
真正的生物打印（设计并修改活性组织和身体部件）将无法实现，除非实现真正可用的身体CAD。医学成像再强大也只能生成身体已有部位的设计文件，没有软件可以让医学专家设计出一个全新的心脏或者修改一个已有的心脏。
人体的最大问题是它的不规则形状。我们的身体是几何复杂性的奇迹。我们每个人都有自己独特的身体形状，有着许许多多的表面曲线、不同的细胞类型以及无数的微小细节。更进一步看，人体的皮肤下面存在着像神秘的银河一样复杂的生物世界。
身体是不断变化的。随着我们的环境、情绪以及食物的不断变化，它们也会喜怒无常、不断变化。无数细胞每天以我们尚不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化，我们还没有解码细胞彼此间如何传递信号。
传统的设计软件、医学成像和数据分析的进步为3D打印生物替换部件铺平了道路，但是我们会很快看到身体部位商用设计软件吗？目前还不可能。然而我们每年都在向前推进。“我看到了世界上的模拟软件、医学成像、计算机辅助设计系统正在融合。”克里斯开玩笑说，“它将为我们定制药物，这好极了，尤其是如果你将来需要额外的身体部件。”
在工业产品设计中，设计师们逐渐了解到随着设计工具的不断改进，自然成为越来越有用的灵感来源。身体设计也是如此，生物是数百万年残忍、迭代设计周期的产物。作家与设计预言家珍妮·班亚斯说：“我们一次又一次发现仿生学非常有效，因为它为我们提供了物种转变战略，使我们能够通过模仿地球上38亿年来的设计和策略适应这个星球并在这个星球上繁衍生息。”
打印人造身体部位
如果没有针对身体部位的设计软件，当今人们怎么能够打印牙齿和骨骼替代物呢？进行钛下颌置换手术的外科医生怎么能够3D打印出置换下颌的精确形状呢？答案很简单。他们CT扫描患者身体，将捕捉的图像数据形成一个文件，然后将图像文件转换为可以进行3D打印的文件格式。
由于计算能力大幅增强以及新图形算法的出现，医学成像技术让我们能够比以往任何时候更密切地关注身体内部。医学扫描透过表面，可以看到器官内部并描述其软、硬组织，气室、磨损和堵塞情况。作为历史最悠久、使用最广泛的医学成像技术，X射线通过电磁波能够透视身体。
超声波是另一种广泛使用的成像技术。超声波像蝙蝠在黑暗中导航一样，通过搜寻从器官反弹回来的声波判断它的形状与表面细节。另一种广泛采用的成像技术是医用核磁共振成像（MRI），其原理是磁化人体内水分子的质子，并将其产生的振动转换成器官和软组织的高清晰度图像。还有一种成像技术称为正电子发射断层造影术（PET），其原理是检测患者吞下或注入患者体内放射性物质的γ射线，并通过γ射线摄像仪对其进行捕捉。
如果你看过有关医学犯罪的电影，或看过自己的MRI或CT扫描图像，你可能会注意到医学图像并不是一张图片，而是由几十个图像组成，它们分别描绘了身体某个部位的一个横截面。核磁共振和CT扫描等医学图像会用上百个灰色阴影描绘身体：骨骼显示为白色，软组织类似于阴天时天空中细微的颜色变化，空隙（如肺部内侧）则显示为纯黑色。
在医学成像中，不同类型的细胞有相似的物理密度，在图像中会出现相似的灰色阴影。这些混乱的灰色阴影是将图像数据转换成可3D打印的文件格式的一大障碍。不管怎样，医学图像中的细微阴影必须被解码，才能在计算机设计文件中建模。
白—灰—黑的渐变并不能为3D打印提供足够的信息，因为复杂的身体结构涉及多种细胞类型，而它们的外观相似，容易混淆。计算机越来越能够区分细微图案，即使是最细微的图像变化，所以还是大有希望的。将灰度图像转换为清晰而有意义的数字数据仍是医学成像研究的主要领域。然而，尽管存在这些限制，医学研究人员和外科医生还是成功地3D打印出各种准确而精密的人造身体部位和外科手术模型。
生物打印的未来
很多人由于患有疾病、先天性缺陷或意外受伤而需要替换新的身体部位，50岁以上的人可能有一半使用了替代的椎间盘。尽管需求量很大，但可替换的身体部位很难找到，而且费用高昂。根据美国器官资源共享网络（UNOS）的数据，只有1％~2％的人死前会成为潜在器官捐献者。即使是世界上最富有的人之一史蒂夫·乔布斯也不得不等待他的胰脏捐献者，然而不久便辞世了。
如果干细胞是生物打印的原材料，3D打印复杂的血管系统仍然是组织工程学需要攻克的难关，相当于“四分钟跑一英里”的极限。2004年，南卡罗来纳医科大学研究人员写道：“血管化3D软器官的组装仍是一项巨大的挑战。”几年后，情况依然如此。
《科学》杂志上的一篇文章充分证明了这一点：
如果没有血管系统—提供养分并带走废物的高速路，3D器官结构中的活细胞将迅速死亡。通过几层细胞成长起来的薄组织没有这个问题，因为所有细胞能直接获得养分和氧气。因此，生物工程师们在探索如何3D打印含有大量活细胞的原型组织。
尽管有可能3D打印活性静脉，但是仍然不能完成整个工作。与人造软骨需要经过生物反应器的冲击后才能从培养皿中取出放入成熟的组织中一样，高度血管化的身体部位即使可以打印，也不能直接植入人体，而是需要它直接在体内生长。新的动脉和静脉需要与身体现有的动脉和静脉融合在一起。
威克弗里斯特大学再生医学研究所詹姆斯·刘教授描述了这一挑战：“我们怎样才能连接在体外制造的组织呢？不管将什么放入体内都必须与人体的血管、血液供应和氧气相连，这是我们在处理较大器官方面面临的挑战之一。”
致力于未来生物技术的研究人员已开始着手研究这一方面的解决方案。与其他医疗人员一样，斯坦福大学博士后亚瑟·善雅尼（Yaser Shanjani）也认为3D打印和设计软件是医学研究的重要工具。他说：“我相信，未来的工程组织学将与3D打印实现令人难以置信的融合。”亚瑟专攻打印骨移植物，用专业术语表达就是“3D打印生物吸收性无机高分子材料”，并将其最终植入患者体内。
亚瑟认为，全面融合了3D打印技术、设计软件与人体自身生长因子的方法是最具前景的方法。在他整个研究生研究阶段，亚瑟曾与由生物学家、外科医生以及材料与制造专家所组成的跨学科团队合作。他解释道：“一个理想的骨植入物是经过精心设计的骨结构，它模仿了自然组织的几何结构、微结构与力学特性，并将最终取代自然组织。”
我问亚瑟，如果有人给他几百万美元推动生物打印的发展，他将怎样利用这笔资金？他立刻斩钉截铁地回答：“我会用一部分资金学习打印由生物制剂（如干细胞和生长因子）培养成的植入材料制成的器官。接下来，我希望在操作室中添置这种真实的打印机。然后，最终理想是将微型机器人放置于患者体内，并在其体内打印新的器官。”
在人体内直接打印活性组织和新器官将是医学界的一个根本性突破。在人体内进行打印的方式可显著提高战场上受伤士兵以及急诊室里事故受害者的生存概率。在不是十分紧急的情况下，打印精确形状活性组织的能力将开启崭新的医疗和外科培训领域，并将促进药物开发新方法的诞生。
定制打印人造组织或小型器官将成为非常有用的研究性临床测试。人造组织可用于疾病研究，或将干细胞培养成为成熟的、分化的细胞。与使用小白鼠或培养皿（都是粗略地近似人体）进行新药测试相比，如果使用患者的细胞3D打印出人造的小型器官，那么我们将能够更准确地判定某一种药物的效果以及它所产生的副作用。
3D打印人造小型器官可以帮助培训年轻的外科医生。尸体长期以来一直是这种培训的载体，但这也存在一些问题，大多数教学医院为学生提供的尸体是随机分配的。换句话说，对于为了科学而同意捐献遗体的人，他们的死因往往与教学课程或特定的研究项目并不匹配，这着实是一件令人沮丧的事情。
随机选取尸体对于入门级教学课程来说还能应付，然而对于要深入钻研具体专业的高年级学生（和医学研究人员）来说，这种“一刀切”的方法则限制了他们的选择。例如，如果一所医学院希望培训学生怎样进行脑肿瘤手术，它将面临一个难题，甚至可以说是一项不可能完成的任务，就是如何在法律许可的情况下获得一些刚刚死亡的脑肿瘤患者的尸体。
在我们能够3D打印精确的身体状况之前，医学院只能继续寻找其他方式。即使在具备条件的医院里，接受训练的外科医生也只能进行一些技术含量低的操作。我在参观一所大型教学医院时，一名教学人员向我展示了他们如何训练学生做心脏搭桥手术。教学人员将一件衬衫撕下两片塞进一个封闭的盒子中，要求学生通过盒子一侧的小孔使用手术工具将它们缝合在一起。
3D打印机可以按照需求制作特殊的外科手术教学模型。打印的教学模型可以精心设计，模仿身体组织、器官甚至完整部位的特点。在真正的生物打印成熟之前，医学院可以通过这种方式打印出“仿制”部位，不仅模拟了实物的外观和感觉，并且满足主要特征和病理需求。
目前医疗已经使用了3D打印的骨骼或器官手术模型。在手术计划或手术建模中，即手术前的“带妆彩排”，外科医生会使用与他们将要进行手术的骨骼或器官同尺寸的真实的“练习部位”。为了减少手术的时间和避免潜在的风险，外科医生会练习组装、推进甚至将这些“练习部位”组合在一起。手术模型还可以帮助外科医生向患者家属解释手术程序。
图7–8?兽医使用3D打印的狗骨骼手术模型练习即将为狗进行的髋部手术
3D打印的手术模型和无生命假肢仅仅是个开始，生物打印将会把个性化医疗推向新的高度。在此期间，医学研究人员和技术人员会面临技术、生物、社会以及监管等方面的一系列障碍。
我们的身体是由成千上万种不同类型的材料组成的，目前的3D打印机一次只能打印出几种材料。复杂的器官中布满了血管。许多重要的器官，比如心脏，不允许任何技术差错或调整。没有人完全知道如何唤醒人造身体部位的生命。即使是简单的身体器官，其功能的实现也需要无数不同类型细胞准确而协调的相互
作用。
人造组织仍然是一项脆弱且艰难的活动，因为它涉及道德问题、政治争议以及需要严格的监管程序（确实如此）。获得政府监管部门对一项新医疗技术的批准可能需要数年、数百万美元的研究。使外科医生和医疗保险公司接受生物打印是一个标准的医疗业务过程，也将需要多年的努力。
医学和3D打印技术的快速发展将改变医学界。现代医学对于生活在100年前的人们来说是非常不可思议的，或许100年后，生物打印将成为一种普遍的医疗方式，就像“青春之泉”一样神奇。
