三维打印机如今已能组装糖果、衣物，甚至 小鼠卵巢。但在接下来的十年里，专门的生物打印机可能会开始在太空中构建功能性人体器官。事实证明，太空中的微重力条件比重力繁重的地球更适合构建器官。
如果成功，太空打印的器官将有助于缩短器官移植的等待名单，甚至消除器官排斥。尽管还有很长的路要走，但国际空间站 (ISS) 的研究人员希望最终能够利用成人的、包括干细胞在内的人体细胞来组装器官。
医学领域才 刚刚开始拥抱 3D 打印技术，尤其是在再生医学和假肢等生物医学领域。到目前为止，这些打印机已通过不断制造生物墨水——一种由活体人类细胞和其他组织组成，旨在模仿器官生长周围自然环境的物质——生产出早期版本的 血管、骨骼 和不同类型的 活体组织。
科学家们已经打印出简单的、类器官结构，例如 迷你肝脏模型 和 类似肺部气囊的结构。然而，目前大多数模型 难以独立站立。
最近，研究人员发现地球可能不是培育独立器官的最佳环境。由于重力在器官生长过程中不断向下施加压力，研究人员必须用支架包围组织，这常常会损害 脆弱的静脉和血管，并阻碍即将形成的器官正常生长和功能。然而，在微重力环境下，软组织可以自然地保持形状，无需周围支撑——这一观察促使研究人员将目光投向太空。
一家位于印第安纳州的制造实验室认为其技术将在太空领域发挥关键作用。3D 生物打印设备 (BFF) 是一种专门的 3D 打印机，它使用生物墨水构建比头发丝薄几倍的层。它的建造成本约为 700 万美元，并采用了 现存最小的打印喷头。
BFF 由太空飞行设备开发商 Techshot 和 3D 打印机制造商 nScrypt 共同打造，于 2019 年 7 月搭乘 SpaceX CRS-18 飞往国际空间站。
目前，该项目专注于构建越来越厚的人工心肌组织，并将其送回地球。一旦打印的心肌组织达到一定厚度，研究人员就越来越难确保打印结构的各层能够有效地融合在一起。然而，最终的目标是使器官能够完全形成后返回地球。
打印的器官最终需要血管和神经末梢才能正常工作，尽管这项技术尚未实现。
下一阶段——在显微镜下和动物体内测试心脏补片——可能需要四年时间。至于整个器官，Techshot 声称计划在 2025 年之后开始生产。目前，该项目仍处于起步阶段。
“如果你看看我们打印出来的东西，会觉得非常普通，”Techshot 公司高级副总裁 Rich Boling 说。“它只是一个长方体的形状，一个矩形盒子。我们只是想让细胞一层一层地生长。”
像煎饼一样“烹饪”器官
Boling 说，将制造过程比作煎饼。太空乘组首先用来自地球的细胞创建一个定制的生物墨水“煎饼”混合物，然后用注射器式工具将其装入 BFF。
然后，研究人员将一个包含生物反应器的卡带放入 BFF——生物反应器是一个模拟生长健康组织必需的正常身体功能的系统，例如提供营养和冲洗废物。
大约 200 英里外的印第安纳州格林维尔，Techshot 的工程师通过 NASA 提供的安全数字通道与国际空间站的宇航员进行通信。此次连接使 Techshot 能够远程控制 BFF 的功能，如泵压、内部温度、照明和打印速度。
接着，实际的打印过程在生物反应器内进行，根据形状的复杂程度，可能需要从几分钟到几小时不等。在最终的生产步骤中，细胞培养先进太空实验处理器 (ADSEP) 将“烹饪”理论上的“煎饼”；本质上，ADSEP 会使打印的组织变硬，以便其返回地球。这个过程对于不同类型的组织可能需要 12 到 45 天。完成后并固化后，结构将返回地球。
研究人员到目前为止已经进行了三轮测试，每一轮都更加精确。今年三月，他们将开始第三轮实验。
生物打印机的太空竞赛
Boling 表示，BFF 实验室是开发这种特定类型微重力生物打印机的唯一团队。然而，他们并不是唯一致力于在太空中打印人体器官的团队。
一个俄罗斯项目也加入了生物打印机的太空竞赛，但其技术差异很大。与 BFF 的生物墨水分层方法不同，俄罗斯生物技术实验室 3D Bioprinting Solutions 使用 磁性纳米颗粒 来生产组织。电磁体产生一个磁场，在此磁场中，悬浮的组织形成所需的结构——这项技术看起来像是科幻小说中的情节。
它与 BFF 一样是一家商业企业，由一家臭名昭著地 在太空中打印过肉类 的俄罗斯医疗公司创立。俄罗斯团队在 2014 年 3 月成功 组装并成功将甲状腺移植到小鼠体内 后创造了历史。
在他们的生物打印机遭受 2018 年 10 月的航天器坠毁事故 后，3D Bioprinting Solutions 恢复了过来；该团队现在与国际空间站的美国和以色列研究人员合作。上个月，他们的团队创建了 首个太空生物打印的 骨组织。与美国项目类似，3D Bioprinting Solutions 旨在制造功能性人体组织和器官用于移植和一般修复。
“仅仅因为我们有技术去做，我们是否应该去做？”
如果 3D 生物打印设备在打印功能性人体器官方面取得成功，它们将在地球上受到严格监管。Rich Boling 表示，美国的审批流程对任何药物都非常严格，这对这项前所未有的发明构成了挑战。Techshot 预计太空打印的器官需要至少 10 年才能获得法律批准，尽管这是一个不精确的估计。
除了监管批准外，在微重力下打印的人体组织也可能面临社会阻力。
每个国家都有不同的医疗移植相关法律。然而，随着生物工程技术向 最终边疆 迈进，国际科学界可能需要制定新的星际合作准则。
国际空间站美国国家实验室代理首席科学家 Michael Roberts 表示：“随着近地轨道商业化在未来几年加速发展，我们肯定需要非常仔细地审查适用于这种情况的法规。“其中一些法规将涉及到伦理问题：仅仅因为我们有技术去做，我们是否应该去做？”
爱丁堡大学科学技术与创新研究讲师 Niki Vermeulen 研究了 3D 生物打印实验的社会影响。她敦促科学家们不要过早地让人们抱有不切实际的期望；寻求器官移植的个人可能会在网上看到关于 BFF 的报道，并认为它很快就能满足他们的需求。
Vermeulen 说：“我认为现在最重要的是管理期望。“因为这真的很困难，当然我们也不知道它是否会成功。如果成功了，那将是令人惊叹的。”
另一个主要问题是成本。她说，与其他尖端生物技术创新一样，器官也可能带来巨大的负担。Techshot 声称，与人类捐献者相比，单个太空打印的器官实际上成本可能更低，因为有些人必须终生支付抗排斥药物和/或多次移植的费用。然而，目前尚不清楚 BFF 的过程与传统的捐献者途径相比需要多长时间。
此外，接受者可能面临潜在的健康风险：Techshot 首席科学家 Eugene Boland 表示，细胞操作始终存在基因突变的可能。例如，经过修饰的干细胞可能会 导致受体患癌症。
他表示，该团队目前正致力于定义和最小化任何危险。BFF 实验遵循 FDA 关于“人类细胞、组织和细胞/组织产品” 的具体规定。
地面上的研究人员现在希望完善人体细胞操作：目前有 100 多项美国临床试验正在测试培养的 自体 人体细胞，还有数百项测试了具有多种来源的培养干细胞。
下一步
在今年三月的下一轮打印测试之后，Techshot 将与希望打印软骨、骨骼和肝脏组织等材料的公司和研究机构共享该生物打印机。Boling 表示，他们目前正在为这些额外用途做准备，这可能会促进整个医疗保健的发展。
为了加快太空乘组的工作速度，Techshot 正在建造一个 细胞工厂，该工厂可以在轨道上生产多种细胞类型。这项技术可以减少地球和太空之间的细胞运送次数。
俄罗斯的 3D Bioprinting Solutions 也计划 向企业和大学出售设备，同时继续开发其核心项目。
Michael Roberts 表示，国际空间站近年来接纳了许多商业项目，那里变得越来越拥挤。太空实验始于 40 到 50 年前，但直到最近，它们大多优先考虑卫星通信和远程观测技术。从那时起，卫星的体积从巴士大小缩小到比鞋盒还小。
Roberts 亲眼目睹了过去十年科学研究兴趣的拓宽，包括医学。美国国立卫生研究院等组织现在正转向太空来改善治疗，从大型制药公司到小型初创企业都想参与其中。
他说：“上面几乎每个表面都有东西粘着。”
随着国际空间站空间和外部连接点日益饱和，Roberts 预测商业企业将建造新的设施，专门用于制造和植物生长等活动。他认为这是一个进一步创新的好机会，因为国际空间站最初是为更广泛的通用目的而设计的。
总的来说，太空可能会与第一个探索时代截然不同。
婴儿潮一代可能还记得五十年前看到的模糊的黑白月球着陆画面。在同一代人的有生之年，他们可能能够见证太空打印器官的出现。
