3D打印开辟医学新纪元 人体部位置换或成常态

2013-07-09 14:59:28来源: 外滩画报


研究者正在修正内脏模型的结构。在开动3D生物打印机前,还必须完成器官的结构设计,须事先通过三维成像或超声的方法,对人体器官进行精确的测量

早期研究者利用3D打印技术制成的动物骨骼模型

3D内脏打印机效果图

  最近,首届世界3D打印技术产业大会在北京召开。主题是“科技创新推动生产方式变革”。

  在2013年过半之时,3D打印技术已毫无疑问成为年度科技热词。

  尽管二十余年前,3D打印技术这一概念就已被提出,可它似乎在今年突然爆发了。胡迪·利普森、梅尔芭·库曼合著的《3D打印:从想象到现实》一书中提到,“人猿相揖别, 是因为古人能够手工制造工具。今人区别于古人,是因为能够使用机器制造工具。人类进化至今,一个崭新的文明标志就是能够用机器制造机器。从狭义上说,当前被赋予无限想象力的3D打印机就是这种能够制造机器的机器。”

  显而易见,3D打印是人类控制能力极限的挑战和展示。3D打印这一技术,犹如哈利·波特手里的魔杖,使人类所想变为现实。你需要一把功能强大的锤子?你需要一双精致无比的鞋子?你需要给孩子准备奇异的玩具?你需要一顿精美的晚餐?……只管打印出来就行了。

  对医疗界而言,这更像是一个前所未有的造物新纪元,它预示着一场医学新革命或将来临。从仿真医疗模型、生物医疗器械,到更具个性化的移植组织或气管、更具潜力的生物高分子材料,都将聚拢于3D打印麾下。

  更真实的教学

  3D打印在医学界的最直接应用,便是各式各样的器官或组织3D模型构建。这使得原本枯燥且抽象的医学知识,变得具体而细微。更为立体的医学模型,将使医学生的学习变得轻松一些。6月4日,英国《每日邮报》刊登了一组酷似科幻大片的3D图片,令人着实大开眼界。

  这些照片通过新颖且极具创意的方式,将人体内部构造通过真实丰富的细节展示出来。这些具有3D效果的图片,正是3D打印技术的前奏。来自美国康涅狄格州的XVIVO工作室的动画师将人体内耳、骨髓、肠道免疫系统放大许多倍,随后利用电子显微图像等技术,再现分子状态下的人体快照图。XVIVO工作室的迈克尔·阿斯特拉罕说,“美学上鼓舞人心的艺术,才能真正地打动人。这一意义深刻、令人振奋的旅程不仅有助于获取知识,也让枯燥且无新意的教科书重获新生。”

  我想起在医学院学习时,必须完成局部解剖学的课程学习。说得直白一些,一个学习小组(通常5个人)需要一个学期的时间,将一具完整的人类尸体标本解剖完毕——从头到脚,从里到外,不能遗漏任何一个解剖结构,还必须熟知走行关系(器官间的相对位置关系)。可是,珍贵的解剖标本属于不可再生资源,有时只能对照图谱死记硬背。此时,如果能有一具3D打印的解剖标本,不但立马缓解资源紧张的局面,还能做到人手一具,学得又快又好。

  3D打印的器官模型,已经出现在医院里。拿心脏为例吧,这台人体“发动机”是一个非常复杂的器官, 为帮助外科医生更好地了解疑难并发症患者的心脏解剖结构,美国国家儿童医学中心的儿科心脏病学家劳拉·奥利弗里近日打印出一个心脏模型。通过使用CT扫描患者心脏图像,利用一部价格约25万美元的3D打印机,她制造了一个真实复制患者疾病的心脏模型。

  3D生物打印

  3D生物打印机如何工作呢?它需要生物墨水,而最有可能成为墨水的便是人体细胞。首先,研究者将从人们的骨髓或脂肪中提取出干细胞,通过生物化学手段,使它们分化成不同类型的其他细胞。随后,这些细胞将被封存成“墨粉”,每一滴“墨粉”里可能包含1万到3万个细胞。当3D生物打印机开动时,“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上,打印器官的雏形便逐渐显现。

  在开动3D生物打印机前,还必须完成器官的结构设计,这犹如一幢大楼的设计图纸。为了打印出与目标器官形状、大小及内部结构相近的3D器官,必须事先通过三维成像或超声的方法,对人体器官进行精确的测量。

  当3D生物打印机工作时,每一滴“墨粉”出现在适当的部位后,必须通过特定的生物胶水固定。就像办公用的彩色打印机一样,3D生物打印机的“墨盒”里也会丰富多彩。尽管都是人体细胞,有的将特定用来打印肝脏或肾脏细胞,有的则是制造血管——用于连接打印好的肝脏或肾脏组织。

  当3D打印器官初具模样时,“墨粉”和胶水的粘合还不够牢固,它不能被立刻使用,还需进一步的修饰过程。此时,这一被3D打印机创造的器官将被放入特定的培养箱里,在各类细胞生长因子的刺激下,实现组织结构和生理功能的完整,直至符合人体移植的要求。

  器官移植新纪元

  2011年TED大会上,美国维克森林大学的研究员安东尼·阿塔拉是一位重量级人物。他展示了3D打印肾脏的技术。

  尽管这一研究非常初步,但他认为,“毫无疑问,有一天——也许通过一代人的努力,你可以拥有一个由你自身细胞组织制造的肾脏,这是不是很神奇?”

  普林斯顿大学的研究者,最近则制造出一只耳朵。研究员迈克尔·麦卡尔首先利用3D打印技术打印出细胞与纳米粒子。然后,将它与一小卷天线和软骨组织结合起来,制造出了一只“仿生耳”。这只耳朵功能齐全,能听到超越人耳听觉范围一百万倍以上的电波频率。

  3D打印,方兴未艾。大部分研究者只是在实验室里捣鼓这一技术,以能制造出特定器官或组织为荣。极少数研究者勇敢地向前一步。5月底,美国《新英格兰医学杂志》报道了全球首例3D打印器官人体移植手术,引发不少研究者与生物投资者关注。密歇根大学公共医疗中心通过3D打印技术,制造了一段人工气管,移植入一位只有六周的美国婴儿体内。

  这位名叫Kaiba Gionfriddo的男婴患有先天性的气管发育缺陷。由于气管受到压迫,逐渐出现呼吸困难,等待他的很可能是呼吸停顿,最终缺氧死亡。为了挽救他的生命,该所大学的生物医学工程师大卫·措普夫,通过计算机设计了一条适合Kaiba的气管支架模型,随后将具有热塑性的生物可吸收材料作为墨水,最后打印出一百条细小管道。然后,通过电脑激光技术,堆砌出一层层不同形状和体积的塑料薄层,从而制造出一段人工气管。

  改变人类医疗史

  “再生医疗是一个飞速发展的科技领域,肩负着改写人类医疗史的重任。”这是美国 Organovo 公司网站的一句话。

  我们更无法想象一百年后的医疗世界,最可能的是,3D生物打印也将成为一种普遍的医疗模式。通过3D打印技术制造器官,不但可解除移植器官资源紧缺的难题,也将对药物开发产生深远影响。

  目前,药物研究大多需要各种级别的动物实验和人体试验。在未来,通过 3D 打印的模式器官来检测药物试验效果,不但有利于缩短临床药物研发周期,还将可能避免潜在的人体试验损害。有专家估测,如果药物生产商采用3D打印器官进行药物开发或试验,平均每种药物可节省上亿美元研发费用。不过,以3D打印为代表的生物打印技术,就像20世纪末的克隆技术一样,带来的将是生物伦理挑战,这也将比眼下的干细胞所引发的争议更为复杂。

  3D生物打印并非一劳永逸。由于人体组织的复杂性,器官构建绝不是生物打印材料的有序堆积而已。目前,研究者已能打印出结构相对单一的器官,比如气管、血管。三年前,Or ganovo公司已成功制造出动脉,并希望在5年内实现人体移植。对于牙齿、骨骼和心脏等更为复杂的器官,需要的研究时间将更长。

关键字:开辟  人体  常态

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2013/0709/article_3863.html
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