在2025年Mildred S. Dresselhaus讲座上，哈佛大学的Jennifer Lewis教授向超过500名现场和虚拟观众展示了她实验室在3D打印软材料和生物材料方面的突破性工作。这位材料科学家的研究跨越了从软体机器人到人体组织的广阔领域，正在重新定义我们制造和使用功能性材料的方式。
超越传统：3D打印的新视角
"材料制造方式决定了其结构，进而影响其性能，"Lewis教授在讲座中强调。"这一观点对我而言是一个顿悟时刻，让我开始思考3D打印不仅仅是原型设计和制造形状，而是真正能够在多个尺度上控制局部成分、结构和性能。"
作为一位训练有素的材料科学家，Lewis教授回顾了她加入哈佛大学创立专注于生物打印和生物工程实验室的经历，学习如何与生物学家"对话"。她提出了一个关键问题：如何将颗粒和聚合物与干细胞和细胞外基质进行比较？一个重要的共同点是都需要一种能够嵌入然后被清除的材料，留下开放的通道。
创新墨水技术：从液体到固体的转变
为满足这一需求，Lewis教授的实验室开发了新的3D打印方法、复杂的打印头设计和粘弹性墨水——这种墨水可以在液态和固态之间转换。这一技术突破为软体机器人和人体组织工程奠定了基础。
在讲座中，Lewis展示了一个名为"Octobot"的移动机器人章鱼的视频，展示了她的团队如何设计两种牺牲性墨水，这些墨水在加热或冷却时会从流体变为固体。这一概念受到自然的启发——那些对触摸、光线、热量和水分变化做出动态反应的植物。
对于Octobot，Lewis团队使用牺牲性墨水和嵌入式打印工艺，实现了三维自由形式打印，而非传统的逐层打印，从而创建了一个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，使章鱼的臂膀在充气和放气过程中上下移动。
从机器人到整个器官工程
"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，我们可以有持续不断的愈合供应。"
Lewis的实验室现在正在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，动机不仅在于为疾病患者需要人体器官，还在于接受捐赠器官意味着余生都需要服用免疫抑制剂。如果组织可以由自身的细胞制成，它将与自己的身体有更强的匹配性。
"就像我们为嵌入式打印功能性和结构材料设计粘弹性基质一样，"Lewis说，"我们可以获取干细胞，然后使用我们的牺牲性写入方法写入可灌注的血管系统。"
她分享的实验室结果显示，最初单独搏动的心脏干细胞构建块在被压缩到支持SWIFT（功能性组织牺牲性写入）的更紧密空间后，这些构建块融合在一起，形成一个同步搏动的组织。然后，她的团队使用一种随温度变化而固化或液化的明胶墨水打印人体血管的复杂设计，冲洗掉墨水后留下开放的管腔。通道保持开放，模拟了可以有流体主动、持续流动通过的血管网络。
"我们的发展方向不仅是扩展到不同的组织类型，还要构建多尺度血管系统的机制，"Lewis补充道。
SWIFT技术：生物组织工程的关键突破
SWIFT（Sacrificial Writing into Functional Tissue，功能性组织牺牲性写入）技术代表了Lewis团队的一项重大创新。这一方法允许研究人员创建复杂的血管网络，这对于大型功能性组织的存活至关重要。
传统3D打印在创建具有血管系统的大型组织时面临巨大挑战，因为没有血管网络，组织中心的细胞会因缺乏氧气和营养物质而死亡。SWIFT技术通过打印可牺牲的墨水结构，然后将其移除，留下开放的通道，解决了这一难题。
Lewis团队使用温度响应型明胶墨水作为牺牲材料，这种墨水可以在室温下保持固态，但在体温下液化。这种特性使得研究人员可以精确控制血管网络的形状和大小，同时确保组织结构的完整性。
个性化医疗：从"你"而来，为"你"而生的组织
Lewis的研究愿景是创建"由你而来，为你而生"的组织，这一理念代表了个性化医疗的终极目标。通过使用患者自身的细胞，研究人员可以避免器官移植常见的免疫排斥反应，消除对终身免疫抑制药物的需求。
"想象一下，如果一个心脏病患者可以 receive一个由自己细胞制成的心脏组织，而不需要担心排斥反应，"Lewis在讲座中描述道，"这不仅会改变患者的生活质量，还会彻底改变器官移植领域的实践。"
这一方法的潜在应用远不止于心脏组织。Lewis的团队正在探索肾脏和脑组织的工程化，这些组织通常面临严重的捐赠短缺问题。通过3D打印技术，未来可能实现按需生产功能性组织，消除等待名单和器官短缺的困境。
软体机器人：仿生设计的未来
除了医疗应用，Lewis团队的3D打印技术还在软体机器人领域取得了显著进展。Octobot只是他们工作的一个例子，展示了如何将生物启发设计与先进制造技术相结合。
软体机器人相比传统机器人具有多项优势：它们更安全（与人互动时不易造成伤害），更能适应复杂环境，并且通常制造成本更低。Lewis的打印技术允许创建具有复杂内部结构的软体机器人，这些结构可以实现传统制造方法难以实现的功能。
"自然界已经解决了许多我们面临的工程挑战，"Lewis解释道，"通过研究生物系统，我们可以获得设计新型材料和机器人的灵感。"
跨学科合作：材料科学与生物学的交汇
Lewis的工作成功体现了材料科学与生物学的交叉融合。她强调，真正的创新往往发生在学科边界处。
"当我开始研究生物打印时，我必须学习一种全新的语言，"Lewis回忆道，"将颗粒和聚合物的特性与生物系统的行为联系起来。这种跨学科思维不仅丰富了我的研究，还开辟了全新的可能性。"
她的实验室包括材料科学家、生物学家、工程师和计算机科学家，这种多元化的团队构成是她能够取得突破性成果的关键因素。每个学科的专业知识都为解决复杂问题提供了独特的视角。
Dresselhaus精神的延续
在讲座结束时，Lewis将她的演讲献给了已故的MIT Institute Professor Mildred Dresselhaus，以表彰她对女性在科学领域发展的积极影响。
"Millie Dresselhaus说过，'校园里有女教授最好的事情是告诉女学生她们也可以做到，'"Lewis引用道，"上世纪80年代末我作为材料科学与工程研究生来到MIT时，获得工程博士学位的女性非常少，看到她这样的人真的给了我很大启发。非常感谢她作为学生、教职员工甚至现在所做的一切。"
MIT.nano主任Vladimir Bulović评价道："Lewis教授在许多方面体现了Dresselhaus的精神。Millie的开创性工作众所周知；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。"
未来展望：多尺度制造与临床应用
Lewis的研究团队正在探索多个前沿方向，包括扩展SWIFT技术以创建更复杂的血管网络，开发新型生物相容性墨水，以及将3D打印技术应用于太空环境中的生物制造。
"我们的长期目标是能够制造具有完整血管系统的大型功能性器官，"Lewis在问答环节中分享道，"这需要我们在多个尺度上精确控制材料结构，从纳米级的细胞环境到宏观器官形状。"
临床应用方面，Lewis预计未来5-10年内，3D打印组织将开始用于药物测试和疾病建模，随后可能用于组织修复和再生。最终，功能性器官的打印可能需要更长的时间，但已经取得了实质性进展。
技术挑战与伦理考量
尽管取得了显著进展，3D打印人体组织仍面临重大技术挑战。确保打印组织的长期功能性和安全性，实现与天然组织相当的复杂性和功能性，以及规模化生产，都是需要克服的障碍。
此外，这一领域也引发了重要的伦理问题。特别是当技术发展到可以打印整个器官时，需要仔细考虑监管框架、获取途径以及如何确保公平分配。
Lewis强调，科学家和伦理学家需要及早合作，确保这些技术的发展方向符合社会价值观，并以负责任的方式推进。
全球影响：科学社区的响应
Lewis的工作已经对全球科学社区产生了深远影响。她的研究方法已被世界各地的实验室采用，推动了生物打印和组织工程领域的快速发展。
在讲座后的问答环节中，MIT组织工程助理教授Ritu Raman表示："Dresselhaus教授和Lewis教授都对科学做出了非凡贡献，并成为MIT社区乃至更广泛领域的鼓舞人心的榜样。在我自己的组织工程师生涯中，Lewis教授及其团队开发的工具和技术极大地指导和促进了我实验室的研究。"
这种全球影响不仅体现在学术引用上，还体现在初创企业的创立中，这些企业正在将Lewis的实验室研究转化为商业产品和服务。
教育传承：培养下一代科学家
Lewis不仅是一位创新的研究人员，也是一位致力于教育传承的导师。她强调培养下一代科学家的重要性，特别是来自代表性不足群体的科学家。
"当我开始我的职业生涯时，很少有女性榜样，"Lewis在讲座后分享道，"现在情况有所改善，但我们仍然需要努力确保所有有才华的科学家无论背景如何都能充分发挥其潜力。"
她通过指导研究生、博士后和年轻研究人员来实现这一目标，许多人已经建立了自己的研究实验室，继续推进这一领域的发展。
结论：重塑医学与制造的未来
Jennifer Lewis教授在2025年Dresselhaus讲座中分享的工作代表了3D打印和组织工程的重大飞跃。从软体机器人到人体组织，她的研究正在重塑我们制造功能性材料的方式，为医学和机器人技术的未来开辟了新的可能性。
随着SWIFT技术和新型生物相容性墨水的不断发展，我们正接近实现"由你而来，为你而生"的组织这一愿景。这不仅将改变器官移植的实践，还将彻底改变药物开发、疾病建模和个性化医疗领域。
正如Lewis所展示的，真正的创新往往发生在学科交叉处，通过将材料科学、生物学和工程学的见解结合起来，我们可以解决一些医学中最棘手的挑战。随着这一领域的继续发展，我们可以期待看到更多突破性进展，最终实现医学和制造领域的范式转变。
Lewis的工作不仅延续了Dresselhaus的科学精神，还为未来的科学家和工程师树立了榜样，展示了跨学科思维和坚持不懈追求科学突破的重要性。在这个技术快速发展的时代，这样的领导力和远见对于确保科学进步造福社会至关重要。
