3D打印的思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，20世紀(jì)80年代以來(lái)得以發(fā)展。在中國(guó)，3D打印研究已有約20年，這種通過(guò)電腦控制，可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)的技術(shù)在近兩年開(kāi)始流行。
時(shí)下儼然成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“新寵”。骨骼打印在我國(guó)多家醫(yī)院進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，杭州一臺(tái)生物3D打印機(jī)在實(shí)驗(yàn)室里打印出了血管、脂肪、肝組織。未來(lái)的某天，它是否能按需打印出替代品更換被癌細(xì)胞侵占的病變器官，或者是不斷跳動(dòng)的心臟？在樂(lè)觀的研究者看來(lái)，至少需要15-20年。
3D打印的“迷你腎”
生物3D打印機(jī)“R egenovo”，它的作品有骨骼、血管、脂肪和肝組織等。
量骨定做
在今年5月末舉辦的世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，研究人員分享了3D打印的各種產(chǎn)品，服裝、鞋子、首飾，甚至還有點(diǎn)心、肉類。荷蘭一位工程師還計(jì)劃用巨型的三維打印機(jī)來(lái)打印房子。
最初，3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被用于制作醫(yī)療模型，術(shù)前將體內(nèi)病變的骨骼或器官打印出來(lái)，供醫(yī)生和患者溝通或制定手術(shù)方案?，F(xiàn)在它的成品已經(jīng)成功進(jìn)入人體。
8月17日，西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院完成一例顱骨修補(bǔ)手術(shù)，所使用的植入物正是用高分子生物材料通過(guò)3D打印技術(shù)打印出來(lái)的。32歲的陜西漢中小伙子李韜成為第一個(gè)吃螃蟹的病人。
2010年底，李韜騎摩托在村公路上行駛時(shí)摔進(jìn)2米多深溝，縣醫(yī)院立即實(shí)施手術(shù)將破碎的顱骨取出，并囑咐半年后做顱骨修補(bǔ)手術(shù)。“因?yàn)轱B骨缺損，身體傾斜時(shí)，腦組織會(huì)從顱骨缺口處凸出來(lái)”，李韜說(shuō)。
手術(shù)的主刀醫(yī)師之一、西安交大一附院神經(jīng)外科主任王茂德教授介紹說(shuō)，以往的顱骨修補(bǔ)手術(shù)通常采用金屬鈦，而這次使用的是一種叫做聚醚醚酮(PEEK )的醫(yī)用高分子生物材料。
“新材料對(duì)比傳統(tǒng)鈦網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于，術(shù)后的影像檢查中不會(huì)出現(xiàn)偽影，利于后續(xù)病情的診斷。利用3D打印技術(shù)制造出的顱骨修補(bǔ)材料完全符合患者生理解剖曲率，真正做到‘量身定制’”，王茂德說(shuō)。因國(guó)外進(jìn)口原材料昂貴，定制這樣一塊“骨骼”需要8萬(wàn)-10萬(wàn)元人民幣。
術(shù)后李韜感覺(jué)頭部偶爾會(huì)突然疼一下，但并不強(qiáng)烈，他“不太擔(dān)心，下個(gè)月要回去做檢查”。目前，西安交大一附院已為4位與李韜類似的患者植入了3D打印的生物材料“顱骨”，北京大學(xué)第三醫(yī)院也通過(guò)媒體發(fā)布，至今年6月已經(jīng)為40多名患者植入3D打印的“骨骼”。
西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵教授，是國(guó)內(nèi)最早研究生物組織3D打印的科研人員之一。他告訴記者，3D打印骨骼的材料還在不斷研究之中。如生物陶瓷材料，經(jīng)過(guò)一兩年時(shí)間，可以在人體內(nèi)慢慢降解，轉(zhuǎn)成活性的骨組織，但它比較脆，力學(xué)性能不夠好，放到動(dòng)物體內(nèi)做實(shí)驗(yàn)時(shí)容易破裂。而且“如果細(xì)胞長(zhǎng)不進(jìn)打印骨骼，它還是活不了。”
李滌塵認(rèn)為這些難題都有解決的可能。“用復(fù)合材料解決脆的難題，如鎂合金或高分子材料，和陶瓷混合在一起，然后做成支架，這樣性能會(huì)好一些。把陶瓷材料多孔結(jié)構(gòu)做出來(lái)，可以讓細(xì)胞往里頭長(zhǎng)。”他說(shuō)，如今將陶瓷和金屬?gòu)?fù)合用到臨床上做一小塊填補(bǔ)比較容易，難度在于做十幾厘米長(zhǎng)的大段骨。
細(xì)胞打印
把細(xì)胞和基質(zhì)材料，比如膠原，混合在一起，然后擠塑、堆積，進(jìn)行細(xì)胞打印，這是3D打印在骨組織外，另一個(gè)更具難度的研究方向。
“在目前的技術(shù)水平下，生物3D打印最成熟的是人造骨的打印，國(guó)內(nèi)尚處于臨床試驗(yàn)研究階段”，浙江大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究所所長(zhǎng)李繼承教授介紹，國(guó)外對(duì)于復(fù)雜器官如人工耳、人工腎的打印，均處于模型與實(shí)驗(yàn)室階段，尚無(wú)臨床應(yīng)用。國(guó)內(nèi)能夠打印脂肪、肝小葉等正常組織，但也處于實(shí)驗(yàn)室階段。
在今年5月末舉辦的世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，杭州電子科技大學(xué)生物制造工程研究中心主任徐銘恩教授展示了一個(gè)剛剛打印出來(lái)的肝單元結(jié)構(gòu)。
3個(gè)月后，徐銘恩團(tuán)隊(duì)首次向外界展示了一臺(tái)名為“Regenovo”的生物3D打印機(jī)，這臺(tái)完全面向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需求制造的打印機(jī)支持活細(xì)胞打印，對(duì)外公布的細(xì)胞存活率是90%，全無(wú)菌打印設(shè)計(jì)，并支持從-5℃到260℃熔融的生物材料打印。
“R egenovo”上半部看起來(lái)像一臺(tái)縫紉機(jī)，下半部是一個(gè)方形的“盒子”。工作時(shí)，“縫紉機(jī)”上一根細(xì)細(xì)的類似縫衣針的噴頭，在下半部的盒子里，前后左右移動(dòng)，將含有活細(xì)胞的水凝膠一層一層堆疊成電腦為它設(shè)定的立體形狀，骨骼、血管、脂肪和肝組織都曾是它的作品。
徐銘恩介紹，在目前的實(shí)驗(yàn)中，打印出的肝單元可以檢測(cè)到其具有解毒、代謝以及部分的分泌功能，但還沒(méi)有檢測(cè)到分泌膽汁的功能。而一些成骨的實(shí)驗(yàn)則在小白鼠身上取得了成功。此外，打印的肝單元、脂肪和腫瘤等組織，在體外藥物篩選和臨床前試驗(yàn)中顯示了良好的應(yīng)用前景。
然而，這臺(tái)設(shè)備離打印出能夠植入人體的器官還很遠(yuǎn)。徐銘恩說(shuō)，“R egenovo”打印出的肝單元比人體正常的大5倍左右，精度仍需提高。
李滌塵估計(jì)，3D打印肝如想移植進(jìn)人體，還需要十多年的努力，“難度很大，問(wèn)題很多，比如做出來(lái)的肝組織黏糊糊像果凍一樣，沒(méi)有力學(xué)性能，放到體內(nèi)可能一擠就變形了，另外細(xì)胞在體內(nèi)，有基質(zhì)材料可以給它提供營(yíng)養(yǎng)，能活三五天，但如果血管不能長(zhǎng)入，細(xì)胞沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)供給，還是要凋亡。最大難點(diǎn)在于細(xì)胞怎樣與人體的循環(huán)系統(tǒng)建立關(guān)系。”
李滌塵介紹，細(xì)胞打印目前在國(guó)外最適合做的就是藥品實(shí)驗(yàn)、病理實(shí)驗(yàn)，比如在體外模擬培養(yǎng)一個(gè)肝組織，檢測(cè)不同藥物與它的作用關(guān)系。
走向臨床
作為時(shí)下國(guó)內(nèi)最熱門(mén)的科技概念之一，可以快速準(zhǔn)確定制復(fù)雜形狀實(shí)體的3D打印技術(shù)，在生物領(lǐng)域引發(fā)了“醫(yī)療革命”的熱情想象，徐銘恩教授卻不無(wú)擔(dān)憂，“我們所做的這些研究，帶給公眾希望，但也希望大家能科學(xué)理性對(duì)待。我們期待這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展能夠穩(wěn)步前進(jìn)，而不是在大起后大落”。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的研究者們不斷提醒，3D打印快速、小批量，個(gè)性化定制上比傳統(tǒng)有優(yōu)勢(shì)，但大規(guī)模生產(chǎn)成本高，速度慢，在從定制化產(chǎn)品走向大規(guī)模臨床應(yīng)用，尚存在各種障礙。
從事3D打印研究近20年的李滌塵認(rèn)為：“3D打印特別適合生物醫(yī)療，國(guó)外的發(fā)展數(shù)據(jù)顯示它有非常好的前景，也是將來(lái)醫(yī)療器械發(fā)展的方向。國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)應(yīng)該在培養(yǎng)人才和鼓勵(lì)應(yīng)用上得到大力扶持。”
李滌塵介紹，早在2001年，我國(guó)就成功完成了國(guó)際上第一例將3D打印技術(shù)用于頜面的修復(fù)，起步是比較早的，但目前國(guó)外定制化研究慢慢走入臨床，而我國(guó)現(xiàn)有的監(jiān)管制度使得3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域走向應(yīng)用面臨很多困難。
“與過(guò)去的批量制造產(chǎn)品不同，3D打印技術(shù)生產(chǎn)的是定制化產(chǎn)品。過(guò)去批量生產(chǎn)的時(shí)候，批號(hào)申請(qǐng)下來(lái)，就可以大量生產(chǎn)，但這種審批制度并不適用于3D打印定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)”，李滌塵表示，“這并非不可操作，監(jiān)管部門(mén)可以評(píng)估生產(chǎn)系統(tǒng)，如果設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程等都是合理，材料是獲得批準(zhǔn)的，材料的成分沒(méi)變、生物性能沒(méi)變，只是形狀改變了，按道理這就可以生產(chǎn)，作為政府部門(mén)應(yīng)該積極應(yīng)對(duì)新技術(shù)帶來(lái)的生產(chǎn)模式的變革”。
浙江大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究所所長(zhǎng)李繼承認(rèn)為，政府目前暫時(shí)缺少針對(duì)性的扶植政策，生物3D打印腫瘤組織，可能在不久的將來(lái)，為藥物篩選和基因治療提供新的載體和研究途徑，而血管的打印可能成為下一個(gè)成功應(yīng)用案例。
阻礙3D打印技術(shù)在醫(yī)療一線廣泛應(yīng)用的另一個(gè)因素關(guān)乎成本。李滌塵介紹，目前市場(chǎng)上的3D打印設(shè)備，類型和功能不同，價(jià)格從20萬(wàn)到600萬(wàn)元不等，總體來(lái)說(shuō)比較昂貴，多作為科研設(shè)備使用。目前許多大醫(yī)院在引進(jìn)，但是應(yīng)用于臨床，還需要不斷降低設(shè)備和原材料成本。
李繼承則提醒，生物3D打印未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用，除了面臨一系列的技術(shù)問(wèn)題，如器官細(xì)胞存活率、移植后機(jī)體免疫排斥等，相對(duì)于工業(yè)3D打印，它將來(lái)可能還要考慮倫理學(xué)問(wèn)題。
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