微重力中的生物打印：我们站在哪里？

将生物医学研究和技术转化为太空健康的关键部分意味着太空人员将不得不创造自己的功能细胞，组织，甚至器官。尽管预计在未来十年内不会实现能够模仿人体器官在太空中移植的再生医学解决方案，但研究人员已经在开发可在微重力条件下工作的适用技术。如今，宇航员患严重疾病并需要重症监护的风险很小（在1％和2％之间），但这种情况有可能发生。在深空旅行中，人体尤其如此 它将承受更高的压力，更高的能量，电离辐射和宇宙射线，从而增加密闭容器中长时间太空飞行的危险。

最坏的情况和假设情况是重要的技术进步的良好起点，特别是涉及外层空间时。随着NASA的阿蒂米斯方案规划通过，以使2024年月球的人类探索和火星上可能的载人登陆面到2030年，依靠创新技术生存离地球将提供人性化的机会，以在轨道上茁壮成长。为此，航天局和私营企业一直在研究微重力作为生物打印技术的辅助因素，以创建组织构造和模型。

到目前为止，两个3D生物打印系统已经投放到国际空间站，利用微重力技术可以快速实现3D组织和器官结构的生物制造，例如人类心脏细胞或小鼠甲状腺。在太空中进行生物打印有许多优点，例如，专家发现微重力条件可以对具有空洞，空腔和隧道的更复杂几何形状的组织和器官构造进行3D生物打印。生物印记可以使用不同的过程，包括挤压和磁性生物印记，但最重要的是，没有重力的生物印记消除了塌陷的风险，使器官无需支架即可生长。这可以改善对地球患者的治疗，并有助于建立可持续的行星定居点。

历史上，制造柔软的人体组织（例如血管和肌肉）一直很困难。很少有研究人员成功地对这些结构进行3D打印，因为他们试图应对地球上生物打印的复杂性。为了解决这一局限性，一家公司着手制造一种用于太空制造的生物打印机。微重力设备的商业运营商Techshot与工业3D生物打印机制造商nScrypt合作开发了3D生物打印机，旨在制造空间中的器官样组织。生物制造设施（BFF）于2019年7月启动，已经在国际空间站（ISS）实验室和国际空间站上成功印制了带有大量人心脏细胞的组织样结构，也包括人类半月板。

更重要的是，虽然3D打印机的生物墨水包含诸如心肌细胞，神经细胞和血管细胞之类的细胞类型，但值得注意的是，它不包含通常在地球上进行生物打印时抵抗重力的引力破坏所需的脚手架材料或增稠剂。在2020年1月宣布成功用人类心脏细胞进行3D生物打印的空间打印时，Techshot还描述了“在地球上尝试用柔软，易流动的生物材料进行打印时，组织在自身重量的作用下会塌陷-所产生的仅仅是水坑。但是，当在太空的微重力环境中使用这些相同的材料时，3D打印结构将保持其形状。”

L型三合一储物柜大小的快递货架有效载荷BFF仅为三英尺宽，两英尺高，但可容纳四个打印头，使用大约是人发直径两倍的点胶针头来构建特定的细胞和细胞外材料的生物构造体。发育组织将需要它。它基于能够以每秒700毫米以上的速度驱动的线性电动机系统构建，主要是因为速度是微重力中生物打印的本质。对于下一阶段，该公司决定将其带回地球进行一些升级，但BFF将在诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）的第16届NASA商业补给服务任务（NG）上于2021年7月返回国际空间站之后开始营业。-16）。

在2020年ISS国际太空实验室组织实验室工程和再生医学研讨会系列中，Techshot的首席科学家Eugene Boland解释说：“在无对流，浮力和分段的情况下，更容易在微重力下生成3D结构的原因是，我们可以使用较低粘度的生物墨水，细胞和营养物质将保留在放置它们的位置。这实际上是生物打印的一种范式转变，在这种情况下，我们只能出于生物学的目的而不是出于力学的目的来打印生物学。因此，我们不必添加交联剂和其他结构来固定它们，我们可以直接打印所需的形状。这正是您在微重力下可以做到的，而您在地面上无法做到，那就是转向3D打印，而不是二维和半二维打印。”

在2019年秋天，美国国家航空航天局局长Jim Bridenstine宣布，尽管在人类长期生活和工作之前还有很多工作要做，“我们正在使用ISS来3D打印人体组织，最终实现人类使用成体干细胞的器官，目的是在地球上改变我们的生活。” 自从2018年宣誓就职美国国家航空航天局（NASA）第十三任行政长官以来，布莱登斯汀一直在快速跟踪该机构的目标，即到2024年将第一名男女降落在月球上，并在本十年后期建立可持续的登月存在。

在对该机构的Artemis计划进行公开更新时，Bridenstine表示：“目前，我们正在努力在轨道上制造人造视网膜。这些是由于材料的分层方式而无法在地球上执行的操作，但是您可以使用ISS在空间的微重力中进行操作。想象一下一个适合您手掌的盒子，然后将它放到内部装有材料的空间中。但是当那个盒子回到地球时，我们打开它来找到一千个人造视网膜。这些视网膜可以帮助患有黄斑变性并可能失去视力的人。”

实际上，创新的生物技术Lambda Vision的微重力制造的基于蛋白质的人工视网膜不仅可以恢复地球上视网膜疾病患者的视力，而且将成为该公司探索如何在太空中进行生产的一个很好的起点。用于许多不同行业的其他生物医学和技术应用。到目前为止，Lambda Vision的首席执行官Nicole Wagner报告说，微重力已经成功地证明了分层，可以在衬底的某些区域上沉积100层。

ISS也是俄罗斯Organ.Aut 3D生物打印平台的所在地，该平台已于2018年12月成功进入轨道。俄罗斯航天局Roscosmos计划与总部位于Skolkovo的3D Bioprinting Solutions公司合作，制造可管理组织的太空磁性3D生物打印机。球体在微重力中。有望发展出3D生物打印技术的新方法，例如使用图案化物理场进行可预测的细胞扩散的声学或磁性生物打印，克服一些常见的局限性，例如速度慢和无法创建具有复杂几何形状的3D构造。

该系统已经在车站的零重力环境中对老鼠的甲状腺进行了3D生物打印。甚至是人造肉，骨头和3D细菌生物膜；以及蛋白质化合物的生长晶体和生物工程化的人类软骨组织。该公司制定了深空旅行的宏伟计划，希望开发出未来版本的生物打印机，以帮助机组人员更换人体部位，甚至能够为前往火星的人们打印食物。

其他生物打印机也在开发中。微重力制造专家公司在太空（MIS）与生物打印机制造商的合作伙伴关系阿列维着手创建ZeroG提供生物挤出机，这将很容易地配备到MIS现有的添加剂制造工厂在国际空间站上。据Allevi首席执行官兼联合创始人Ricky Solorzano称，该平台将能够测试生物材料并通过微重力实现各种几何形状，从而彻底改变太空生物学研究。

“目标是了解在微重力下进行实验的局限性和价值。就像我们在地面上进行生物打印一样，我们相信通过提供这些信息并进行实验，社区将了解微重力，并找到那些不仅是研究而且是基于产品的应用程序，从而使该行业脱离太空环境”，Solorzano也在国际太空站国家实验室太空研讨会系列中解释道。

瑞典3D生物打印机制造商Cellink还宣布了与MIS的战略合作，以为ISS和未来的非国际平台确定3D生物打印的发展机会。虽然ê在2019年arlier中，欧洲航天局（ESA）和德累斯顿技术大学的大学医院（TUD） 也证明了能力的3D打印生物物质在太空般的地球环境。

微重力生物打印开辟了一个全新的领域，也带来了新的挑战。正如太空企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）曾经说过的那样，“太空很难”，而在地球外进行生物打印则更加困难。专家们已经发现了一些局限性，从生物墨水的行为方式到理解表面张力。为地球和机组人员推进太空生物打印还有许多工作要做，但是新的合作可以迅速进入太空生物打印的下一阶段。