器官出了毛病，能直接在体内3D打印一个换上吗？

漫步在景区集市或科技展馆，我们经常在摊位上看到惟妙惟肖的3D打印制品，比如鳞甲分明的玩具龙、活泼生动的动漫人物等等。这些由塑料、金属或树脂堆叠而成的物件，大家可能早已司空见惯。但你有没有想过，既然3D打印能制作出奇形怪状的物品，那么是否可以直接在人的体内工作，制造出各种器官和组织呢？

3D打印的精密模型（图片来源：3DWithUs）

这一想象可能正在走向现实。在最新研究中，研究人员首次成功实现了在活体动物体内进行厘米级深度的3D打印，有望为无创、精准的体内修复与治疗开辟全新路径。

图片来源：pexels

3D打印人体器官，可行吗？

只需将卷状的塑料、金属等原料放入机器中，输入提前制作好的数字图案，机器就可以打印出我们想要的物体——这就是3D打印技术，具有极高的还原精度。

3D打印形状各异的物品（图片来源：veer图库）

3D打印技术的发展让科学家萌生了一个大胆的设想：既然3D打印可以精准复制物体，那么是否可以用于制造生物体器官，从而为器官移植提供充足供体，或是实现受损器官的精准修复？

目前为止，3D打印技术还无法打印复杂的生物体器官，但是已经基本实现破损的骨骼、关节等组织的打印和修复。例如2014年，中国科学家利用3D打印技术将钛合金粉末制成人工椎体，通过手术将其植入患者体内，实现了3D打印骨骼的临床验证。此外，3D打印技术还被用于牙冠等人体损伤结构的修复中。

3D打印人工椎体手术

（图片来源：北京大学第三医院网站）

尽管3D打印技术制造的植入物已经在临床上得到了应用，但是这些植入物目前仍需要通过侵入性的手术才能植入人体，无法实现不开刀直接修复组织。2020年，中国科学家提出了一种利用数字近红外光聚合3D打印的技术，该技术可以在不进行外科手术的情况下，利用数字近红外光穿透皮下组织，逐层诱导特殊材料聚合，最终制造出具有软骨化和肌肉组织修复功能的耳状组织结构和支架。

利用数字近红外光聚合3D打印技术在小鼠皮下打印的耳形结构

（图片来源：参考文献[1]）

受限于红外光的传播距离和穿透性能，这一技术的打印深度仅为毫米级，难以在更深层组织中实现打印。为此，来自美国加州理工大学的科学家最近提出了一种利用超声波在体内3D打印的技术。它以超声波为能量源，结合特制的“生物墨水”，成功地实现了厘米级组织深度的3D打印。

超声波3D打印示意图

（图片来源：参考文献[2]）

特制的生物墨水，3D打印的原料

体内3D打印的原料不仅要有好的生物相容性，还需要在特定的时间和地点精准释放。为此，研究者制备了一种生物墨水，其由生物聚合物、低温敏感脂质体封装的交联剂和气体微泡造影剂组成。

低温敏感脂质体是生物墨水的重要组成成分，其脂质双层会随温度发生相变。在37℃条件下，脂质双层保持稳定的固态结构；当温度升高至41.7℃时，脂质双层就会发生相变，从固态变成液态，并且形成纳米级孔洞，释放包裹在其内的交联剂，触发生物聚合物的交联，形成凝胶结构。

脂质双层随温度发生相变，释放交联剂

（图片来源：参考文献[2]）

气体微泡是一种在超声作用下能够发生变形坍塌，并且产生强烈超声信号的中空蛋白质纳米结构。在3D打印过程中，气体微泡发挥着“导航”的作用，确保超声波的精准聚焦，提高3D打印的精确性和安全性。

聚焦超声波，厘米级的穿透力

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的波长较短，在传播过程中能像光波一样沿直线传播，具有能量集中的特性。超声波还具有很强的穿透力，能够轻松穿透固体、液体、气体等介质，广泛应用于医学成像、工业检测等领域。

A.聚焦超声波在3D打印过程中的传播示意图

B.长波紫外线（UVA）、短波紫外线（UVB）、可见光、近红外光（NIR）和超声波对于皮下组织穿透深度的对比

（图片来源：参考文献[2]）

研究人员使用的3D打印能量源为聚焦超声波，能够精确地控制超声波的能量，使其在目标区域形成高能量密度的焦点。相比于紫外线、可见光或近红外光，聚焦超声波在组织内的穿透深度可以达到几厘米甚至更深。经过功率和速度等参数优化后的超声波可以穿透4厘米的组织进行3D打印，并且能够达到150μm的打印分辨率。

超声波3D打印，能打印什么？

在最新研究中，研究者提供了一种非侵入式的破裂组织修复方法。他们制备的生物墨水在聚焦超声的作用下会生成具有粘附性的水凝胶，可以在体内对破损的组织进行粘合。

更重要的是，他们还在生物体内尝试了超声波3D打印实验。他们将生物墨水注射入患有膀胱肿瘤的小鼠体内，在气泡微泡精准定位后，利用聚焦超声波进行3D打印。最终，他们在解剖的小鼠膀胱肿瘤附近发现了凝胶结构。这一技术方法有望应用于肿瘤药物的3D打印，实现体内肿瘤的精准治疗。

研究者在小鼠膀胱的肿瘤部位

通过气体微泡精准定位打印凝胶结构

（图片来源：参考文献[2]）

此外，研究者还在兔子的肌肉组织上进行了类似的实验，在暴露的腹部肌肉、内收肌深处和股二头肌上均监测到3D打印的凝胶结构，证明了其在组织修复领域中的可行性。

研究者成功地在兔子肌肉组织上打印出凝胶结构

（图片来源：参考文献[2]）

想象一下，也许数年之后，医生无需开刀，只需一台“超声打印机”和特制的生物墨水，就能实现组织的修复或者肿瘤的精准治疗。不过需要明确的是，这项突破性的实验还仅限于小鼠和兔子等动物模型，从实验室走向临床仍需克服诸多挑战。我们期待科学家们持续探索，让这项充满潜力的技术早日安全地造福人类。

参考文献:

[1] Chen Y , Zhang J , Liu X ,et al.Noninvasive in vivo 3D bioprinting[J]. Science Advances, 2020.

[2] Davoodi E, Li J, Gao W. Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing[J]. Science, 2025.

[3] Yang J , Cai H , Lv J ,et al. In Vivo Study of a Self-Stabilizing Artificial Vertebral Body Fabricated by Electron Beam Melting[J].Spine, 2014.

[4] 贺超良,汤朝晖,田华雨,等. 3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展[J]. 高分子学报, 2013.

[5] 杜宇雷,孙菲菲,原光,等. 3D打印材料的发展现状[J]. 徐州工程学院学报:自然科学版, 2014.

十一，北京化工大学物理化学博士。