在2025年Mildred S. Dresselhaus讲座上，哈佛大学Hansjörg Wyss生物启发工程学教授Jennifer Lewis提出了一个引人深思的问题："我们能否创造出由你组成、为你定制的组织？"这一愿景标志着3D打印技术从简单的原型制作向复杂功能性材料的重大转变，正在开启从软体机器人到人体器官工程的全新领域。
重新定义3D打印的可能性
"制造材料的方式决定了其结构，进而影响其特性，"Lewis在讲座中强调。这一观点对她而言是一个"顿悟时刻"，促使她重新思考3D打印的潜力——超越简单的原型制作和形状塑造，真正实现对材料局部成分、结构和特性的多尺度控制。
作为一名训练有素的材料科学家，Lewis在加入哈佛建立专注于生物打印和生物工程的实验室后，学会了与生物学家沟通的语言。她面临的挑战是如何将颗粒和聚合物与干细胞和细胞外基质进行比较。一个关键的共同点是都需要一种能够被嵌入随后又能被清除的材料，留下开放的通道。为满足这一需求，Lewis的实验室开发了新的3D打印方法、精密的打印头设计和粘弹性油墨——这些油墨可以在液体和固体状态之间转换。
软体机器人：从自然启发的创新
Lewis展示了名为Octobot的移动软体机器人的视频，展示了她的团队如何设计两种牺牲性油墨，这些油墨在加热或冷却时会从流体变为固体。这一概念灵感来源于自然界——那些对触摸、光线、湿度和热能做出动态变化的植物。
对于Octobot，Lewis团队使用了牺牲性油墨和嵌入式打印工艺，实现了三维自由形式打印，而非传统的层层堆积，从而创造出完全柔软的自主机器人。中心的振荡电路引导燃料(过氧化氢)的流动，使手臂在充气和放气时上下移动。
"我们如何在组织工程中利用形态变化？"Lewis问道，"就像我们的血液在体内持续流动一样，我们也可以有持续的愈合供应。"
人体组织工程：从概念到现实
Lewis的实验室现在正致力于使用患者特异性细胞构建人体组织，主要是心脏、肾脏和脑组织。她解释说，这一动力不仅来自于疾病患者对人类器官的需求，还因为接受捐赠器官意味着终身服用免疫抑制剂。如果组织可以用自己的细胞制造，它将与自己身体有更好的匹配。
"就像我们为嵌入式打印功能性和结构材料设计了粘弹性基质一样，我们可以获取干细胞，然后使用我们的牺牲性写入方法来写入可灌注的血管，"Lewis解释道。这个过程使用了一种她称为SWIFT(牺牲性写入功能性组织)的技术。分享实验室结果时，Lewis展示了干细胞如何分化为心脏构建块，最初它们各自跳动，但在被压缩到支持SWIFT的更紧密空间后，这些构建块融合在一起，形成同步跳动的一种组织。
然后，她的团队使用一种随温度变化而固化或液化的明胶油墨打印人体血管的复杂设计，冲洗掉油墨后留下开放的管腔。这些通道保持开放，模仿了可能有流体主动、持续流动通过的血管网络。"我们的发展方向是不仅扩展到不同类型的组织，还要构建多尺度血管的机制，"Lewis表示。
技术突破与挑战
Lewis团队的突破性工作在于开发了能够精确控制材料微观结构的打印技术。传统的3D打印通常局限于简单的几何形状，而他们的方法实现了在多个尺度上控制材料的成分、结构和特性。这种能力对于创建复杂的生物组织至关重要，因为这些组织需要在微观和宏观层面都具有特定的功能特性。
然而，这一领域仍面临重大挑战。组织血管化是一个关键问题，因为没有血管网络，组织无法获得足够的营养和氧气来存活和功能化。Lewis的SWIFT技术代表了这一领域的重要进展，但实现全尺寸功能性器官仍需克服许多技术障碍。
此外，生物打印还需要解决细胞存活率、组织成熟度和功能整合等问题。打印的组织必须能够与宿主系统无缝整合，并长期保持功能。这需要开发新的生物材料、生长因子递送系统和后处理技术。
跨学科合作的重要性
Lewis强调了跨学科合作在推动这一领域发展中的关键作用。她的团队结合了材料科学、生物学、工程学和医学的专业知识，这种多学科方法对于解决生物打印和组织工程中的复杂挑战至关重要。
"当我加入哈佛开始专注于生物打印和生物工程的实验室时，我学会了与生物学家沟通的语言，"Lewis回忆道。"如何将颗粒和聚合物与干细胞和细胞外基质进行比较？一个关键的共同点是都需要一种能够被嵌入随后又能被清除的材料，留下开放的通道。"
这种跨学科思维不仅促进了技术创新，还加速了科学发现和临床应用的转化。通过结合不同领域的专业知识和方法，研究人员能够开发出更有效的解决方案，解决复杂的生物医学问题。
未来展望：太空中的生物打印
在讲座后的问答环节中，Lewis与MIT机械工程系组织工程Eugene Bell职业发展助理教授Ritu Raman讨论了3D打印硬件和软件、组织修复和再生以及太空中的生物打印等话题。
太空环境中的生物打印代表了这一领域的前沿方向。在微重力条件下，细胞行为和流体动力学与地球环境显著不同，这为组织工程提供了新的机会和挑战。太空中的生物打印可能为长期太空任务提供医疗支持，同时也可以帮助研究地球上的疾病模型和治疗方法。
"Mildred Dresselhaus和Jennifer Lewis都在科学领域做出了令人难以置信的贡献，并成为MIT社区及许多人的榜样，"Raman评论道。"作为一名组织工程师，Lewis教授和她的团队开发的工具和技术对我实验室的研究至关重要，并提供了重要支持。"
纪念Mildred S. Dresselhaus
在讲座结束时，Lewis将她的演讲献给了Dresselhaus，并引用了她的话："校园里有女教授的好处是告诉女学生们她们也能做到。"Lewis于20世纪80年代末作为材料科学与工程研究生来到MIT，当时获得工程学博士学位的女性非常少，她表示，"看到她这样的人真的给了我很大启发。我非常感谢她作为学生、教员甚至现在所做的一切。"
这是第七届Dresselhaus讲座，以已故MIT研究所教授Mildred Dresselhaus的名字命名，她以"碳科学女王"而闻名。年度活动纪念来自世界各地的科学与工程领域的杰出人物，其领导力和影响呼应了Dresselhaus的生活、成就和价值观。
"Lewis教授在许多方面体现了Dresselhaus的精神，"MIT.nano主任Vladimir Bulović表示。"Millie的开创性工作众所周知；而Lewis教授在3D打印和生物启发材料方面的开创性工作延续了这一传统。"
伦理与社会影响
随着3D打印生物组织技术的发展，伦理和社会影响成为必须考虑的重要问题。个性化器官打印可能彻底改变器官移植领域，解决器官短缺问题，并减少对免疫抑制剂的依赖。然而，这也带来了新的伦理挑战，包括获取技术的公平性、成本效益以及长期影响。
此外，生物打印技术还引发了关于人类增强和改造的更广泛讨论。随着我们能够设计和制造越来越复杂的生物结构，我们需要考虑这些技术的适当界限和监管框架。这需要科学家、伦理学家、政策制定者和公众之间的持续对话和合作。
商业化与临床应用
尽管许多3D打印生物组织技术仍处于研究阶段，但一些公司已经开始探索其商业化和临床应用的可能性。这些努力包括开发用于药物测试的打印组织、用于伤口护理的生物打印敷料，以及用于组织修复的植入物。
Lewis的工作为这些应用提供了科学基础和技术平台。随着技术的成熟和监管框架的完善，我们可以期待在未来十年内看到更多基于3D打印生物组织的临床应用和产品进入市场。
教育与人才培养
Lewis的经历也强调了教育和人才培养在推动科技创新中的重要性。她提到，Dresselhaus的存在对她作为年轻科学家的职业发展产生了深远影响。这提醒我们，榜样和导师在激励下一代科学家和工程师方面发挥着关键作用。
随着3D打印和生物组织工程领域的快速发展，教育和培训下一代研究人员变得尤为重要。这需要开发新的课程和培训项目，培养具有跨学科背景和技能的人才，能够应对这一领域的复杂挑战。
结论
Jennifer Lewis在2025年Dresselhaus讲座中分享的工作代表了3D打印软材料领域的前沿进展。从能够自主运动的软体机器人到使用患者特异性细胞打印的人体组织，这些技术正在改变我们制造和使用功能性材料的方式。
随着技术的不断发展和完善，我们可以期待看到3D打印生物组织在医疗、机器人和其他领域的广泛应用。然而，这一领域的发展也需要我们面对伦理、社会和监管方面的挑战，确保这些技术的负责任开发和部署。
Lewis的工作不仅推动了科学前沿，也为解决全球性健康问题提供了新的希望。通过结合材料科学、生物学和工程学的专业知识，她的团队正在开创一个未来，在这个未来中，我们可以创造出由你组成、为你定制的组织和器官，彻底改变医疗保健和人类健康的前景。
