要实现这一目标，我们需要在低地球轨道上建立基础设施，以容纳3D打印设备和需要监督这些设备的人类。更新： 2024年10月17日 12:18 PM EST
NASA宇航员Christina Koch，第60次远征飞行工程师，在BioFabrication Facility (BFF) 工作。NASA
增材制造（3D打印）技术在过去的几十年里取得了显著进展。最初仅限于快速原型制作和创建塑料模型，现在已广泛用于工业生产，使用的材料包括金属。一个重要的发展是3D生物打印技术的出现，通过逐层沉积活细胞来构建三维有机结构。自2012年以来，生物技术公司和学术机构一直在研究这项技术的生物医学应用。医疗机构可能很快就能使用患者的干细胞来制造替代器官、皮肤、血管组织、软骨、脑组织和身体部位。
该技术也有空间应用。空间机构和生物技术公司正在国际空间站（ISS）上研究生物打印技术，微重力环境使得细胞培养更容易生长。在地球上，生物打印需要支架或其他结构（如凝胶介质或糖基质）来支持正在沉积的组织。然而，在近地轨道（LEO）的近零重力环境中，组织可以在没有支撑结构的情况下三维生长。这可以彻底改变地球上的医疗保健，并通过减少对地球供应资源的依赖来推进人类太空探索。
一台3D打印机正在操作，通过逐步添加薄层来构建结构。来源：Whitaker, M. (2015)
生物打印的起源
3D生物打印过程可以追溯到2003年哈佛医学院在波士顿儿童医院的研究人员进行的试验。该团队通过构建由胶原蛋白和合成聚合物制成的支架，并在其上分层添加患者的干细胞，成功制造了替代膀胱。这促使研究员Anthony Atala在2004年创立了Wake Forest再生医学研究所（WFIRM），目前他担任该所的泌尿学G. Link教授。在该研究所成立后的几年里，科学家们成功手工工程化了几种类型的组织和器官，并将其植入患者体内进行小规模临床试验。
此外，Atala和他的同事们开始寻找自动化该过程的方法。他们使用基本的喷墨桌面打印机进行实验，最终开发出了能够打印定制人体器官支架的机器。随后，第一台3D生物打印机——集成组织和器官打印系统（ITOP）诞生。截至2012年，这项技术已成为研究创造生物材料和器官的焦点。
生物打印的好处
主要目标是解决器官捐赠危机，通过创建替代器官来缩短移植等待时间，使器官更加适合患者的遗传和生理特征，并降低排斥风险。患者可能不再需要服用抗排斥药物，从而避免其有害副作用，这些副作用包括高血压、糖尿病、高胆固醇、感染风险增加、胃肠道副作用以及某些形式癌症的风险增加。
尽管已经取得了一些进展，但在3D生物打印技术被广泛应用于临床之前，仍需克服许多挑战。获奖的天体生物学家、模拟宇航员、研究员和作家Michaela Musilova博士在全球各地的机构进行了与太空相关的研究，包括NASA、ESA和CalTech。她在接受《有趣工程》采访时说，低地球轨道（LEO）上的生物打印可以帮助医疗研究人员克服一个主要问题：
“器官移植的需求非常高，能够生物打印器官可以帮助无数患有严重疾病的人。在太空中进行3D生物打印可以真正革命化地球上的医疗保健，使我们能够在微重力环境中打印器官。当我们尝试打印器官时，我们处理的是非常脆弱的细胞。在地球表面，1g的重力下，这些脆弱的结构往往会因自身重量而坍塌。但在微重力环境中，破坏力最小，我们可以以真正的三维方式打印这些脆弱的结构。这种独特的优势使细胞能够以在地球上不可能的方式生长并组装成复杂的功能性组织。”
3D生物打印的血管支柱。来源：ESA
国际空间站上的实验
国际空间站上的实验始于2014年的3D Printing In Zero-G调查，该调查证明了在微重力环境下使用塑料等无机材料进行3D打印是正常的。2018年至2020年间，俄罗斯国家航天局（Roscosmos）在国际空间站上使用名为Organ.Aut的磁悬浮生物打印机进行了实验。这些实验表明，微重力环境下的生物打印可以创建组织结构，为后续研究生产人工器官铺平了道路。
欧洲航天局（ESA）和德国航天局（DLR）也在国际空间站上进行了名为Bioprint FirstAid的实验。这是一项便携式手持生物打印机的原型测试，该打印机使用患者自身的皮肤细胞创建定制补丁。该实验旨在测试可以补偿微重力下愈合过程变化的生物打印技术。该设备对于前往月球和火星的长期任务中的宇航员至关重要，并且在地球上也有广泛的应用。
NASA在国际空间站上的生物打印研究是在Redwire Corporation开发的BioFabrication Facility (BFF) 内进行的。这包括BFF-Cardiac项目，该项目使用BFF评估心脏组织样本的打印和处理。该研究可能导致开发替代心脏组织，最终可能创造出替代心脏。
随后进行了BFF-Meniscus和BFF-Meniscus-2调查，这些调查使用间充质基质细胞（MSC）——从骨髓和其他组织中分离出来的干细胞——来创建结缔组织。2023年夏天，这项实验成功使用MSCs打印了一个人类膝关节半月板。该实验由Uniformed Services University的生物医学研究部门（4DBio3）进行，旨在为常见的半月板撕裂等损伤创造改进的治疗方法。
还有LambdaVision Inc.与Space Tango Inc.合作进行的基于蛋白质的人工视网膜制造实验。该研究旨在开发和验证基于空间的人工视网膜制造方法。在地球上，重力会影响打印视网膜蛋白层薄膜的质量，但微重力环境下制造的薄膜更稳定，光学透明度更高。该实验成功制造了多个200层的人工视网膜薄膜，公司现在正在努力商业化硬件并开发其他疗法和药物的策略。
“自2000年以来，人类已经在国际空间站上连续存在。然而，这一举措将使我们更进一步，成为一个真正的太空物种，有更多人将太空作为工作场所，”Musilova博士说。
NASA宇航员Nick Hague在国际空间站上的BioFabrication Facility (BFF)。来源：NASA
地球及其他领域的应用
随着空间生物打印能力的增加，船员最终可能能够3D打印几乎所有所需的东西，包括活体组织。潜在的应用包括肌肉骨骼损伤，这是运动员和军事人员最常见的损伤之一，以及未来太空任务中经历肌肉骨骼损伤的船员的改进治疗。生物打印的人工视网膜可以帮助全球3000万患有视网膜疾病的人恢复视力。微重力环境下的生物打印还可以为未来的太空任务生产培养肉和药物。这将减少对从地球发射食品和医疗物资的依赖，同时帮助在整个任务期间维持船员的健康和安全。
使用患者自身的培养细胞可以降低免疫系统排斥的风险，而且该设备在处理伤口大小和位置方面具有更大的灵活性。由于该设备小巧便携，医护人员几乎可以将其带到地球上的任何地方。该研究表明，该设备在微重力环境下按预期工作，研究人员正在研究空间打印的补丁，并将其与地面打印的样本进行比较，然后再采取下一步行动。
“为了实现这一目标，我们需要在低地球轨道上建立基础设施，以容纳3D打印设备和需要监督这些设备的人类。这一惊人的含义是，它将在太空中开辟一个工作场所，人们将在那里工作，所有这些活动都将带来深远的影响，”Musilova博士说。
“此外，作为一名专注于长时间太空旅行中人类休眠的研究人员，我认为替换老化器官的能力可以显著减少我们在太空中生存的时间限制。通过克服这些限制，我们正在扩展视野，使长时间太空探索比以往任何时候都更加可行，”她补充道。
3D打印技术的发展已经彻底改变了我们所知的制造业和工业，其应用现在正扩展到太空。这有可能通过引入轨道装配和太空制造（ISM）进一步革命化制造业，从工具和替换部件到整个航天器都可以在太空中制造。作为这项技术的众多衍生产品之一，生物打印有望进一步推动这场革命，允许创建替代器官、组织、生物材料甚至食物——所有这些都是从培养细胞中生长出来的。这将对地球上的医疗治疗产生重大影响，并将促进人类向地球以外的迁移。生物打印不仅将允许为受太空旅行影响的人们更换器官，而且现场生产器官、结缔组织、视网膜、骨骼和皮肤移植物的能力也将使人类在太空和其他天体上过上更长、更健康的生活。
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