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3D打印器官知多少

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发表时间:2016-03-03 15:13:26

  据广州日报郭原毓记者报道:每年有数以万计的病患在等待合适的器官移植,设想一下,如果我们能够根据需要“打印”人体器官,病人就可以免去漫长的等待时间。3D打印技术面世三十年来,与人们的生活越来越紧密,如今,我们不仅能用塑料作为“墨水”打印零件,金属、陶瓷甚至人体细胞都可被注入“墨盒”进行操作。近日,《自然生物科技》杂志介绍了一种生物打印机,并证明通过3D打印出来的耳朵组织,被移植到小鼠体内后能像正常组织一样存活并生长。这是有史以来第一次3D打印技术被证实有望替代人体器官。

 

  虽然“3D打印”不再像刚出现时那么吸引眼球,但这个新兴领域时常有好消息传来。2014年,人们“打印”出软骨组织;2015年,又成功“打印”出供医学研究用的肾脏组织。然而,囿于规模、结构和细胞存活时间方面的限制,大部分这样的打印产物只存在于实验室中,不能真正作为可用的器官进行移植。

 

  不过几天前,美国维克森林大学的研究团队在《自然生物科技》杂志上发表论文称,他们把通过3D打印出的“耳朵”移植到小鼠体内,两个月后,植入的耳朵保持了形状,而且还生成了适当的软骨组织。也就是说,这些从打印机里诞生的组织能够在生物体内正常存活并生长。进一步设想,如果这项技术能用在人体上,那医生就能直接用病人自己的细胞,打印出替代性的人体组织或器官,这将是再生学领域的一大跳跃进步。

 

  这种“生物打印机”工作原理跟普通3D打印机一样,也是根据模型图纸一层层“堆”出设计好的形状,但由于细胞不像塑料那么稳固,如果仅仅是堆起来而不加约束,细胞很容易散开。因此在生物打印过程中,整个结构会被加上一层临时的聚己内酯化合物,它可以发挥支架的作用,确保移植中结构的稳定。一旦移植完成,这层材料会逐渐降解且不产生毒性。同时,细胞会分泌出一种支持性的基质,维护植入物的形状。最终,细胞自行重组,不再需要支持性材料。

 

  为了测试打印效果,研究团队将3D打印的“耳朵”植入了小白鼠皮下,两个月后,植入的耳朵不仅保持形状,还生成了适当的软骨组织。而另一部分打印并移植的肌肉组织,仅用了两周时间,就在小白鼠体内引起神经形成。这实在是振奋人心的结果,对于失去耳朵的患者来说,如果可以用自己的细胞打印个真实的耳朵,不仅舒适度要比仿生耳朵好得多,也不会有排异反应。

 

专家解惑:

 

  打印3D器官 

 

  误差风险依然存在

 

  北京工业大学激光工程学院陈继民教授表示,目前的医疗行业应用到3D打印技术的仅仅是“皮毛”。“除了用于术前指导,比较常见的还有在骨折治疗中订制个性化钢板。但这并不能起到避免排异的效果,只能让钢板形状更匹配,更便于固定。人体组织、器官的3D打印技术应用,还在基础研究阶段。”

 

  陈继民指出,3D打印器官,就算细胞外面用聚己内酯化合物裹起来做支撑固定,但还是无法保证将3D打印器官放置人体后,它能长时间紧紧黏合在一起。再加上,人体真正的器官是非常复杂的,打印出来的细胞尽管能够融合在一起,但并不意味着它们就能发挥功效。

 

  此外,陈教授提醒说,目前还没有哪一种软件强大到可以建立非常详细的器官模型,以供研究人员打印3D器官前做参考,这其中的误差和风险也是需要考虑的。

 

 

人体系统很复杂 3D器官有局限

 

  人体器官打印面临的另一个问题是,如何在这些组织的内部设计“空腔”——聚己内酯固然可以使得细胞有序地堆叠在一起,但如果没有内部的空腔,这些细胞便活不了多久。

 

  在正常组织中,血管会交织在器官内部输送养分,可许多打印出来的组织缺乏血管,移植后难以长期存活,自然不能撑到与移植受体“融为一体”。因此,给3D打印的组织留出供血管穿过的空间是极为重要的。

 

  美国维克森林大学的团队利用水凝胶解决了这一问题——这些水凝胶结构能够以固体的形态作为支架的作用,当细胞形成稳定结构后,它们就会被降解代谢,原先它们存在的位置,就成了可供血管伸展和发育的“空腔”。利用这一思路,原本因营养物质输送问题而受限的打印组织大小问题也得以克服了。

 

  即使如此,中国3D打印技术产业联盟副理事长周功耀对打印器官仍持谨慎态度,他告诉记者,3D打印的部分器官在已知科学范畴内没有问题,但生物技术领域还有很多人类没能掌握、没有探究到的信息。即使人工器官在体外功能正常,一旦植入体内,是否能运作、是否产生毒素,以及有哪些副作用目前都不得而知。

 

  “人体系统非常复杂,万不得已,不能用有限技术制成的器官去对接无限复杂的人体系统。生命是第一大事,这也是3D生物打印发展的第一大困难。目前3D打印耳朵、膀胱和心脏等都只存在实验室里,在植入人体前还要做大量实验、积累并分析大量数据,继续不断改进,要做的事情还有很多。”周功耀说,“但3D生物打印的一些前瞻性研究和个体实例出现是好事,将最终促成技术和产品的成熟。”

 

  3D打印之父PK医学专家

 

  3D器官是高端消费?

 

  到目前为止,在3D打印器官方面,出现了很多“半成功”案例。之所以说“半成功”,是因为它们大多数无法正常工作,或者仅仅只能存活几天时间。

 

  比如,美国生物科技公司Organovo曾打印出一种能够正常使用的微型人体肝脏,但它仅仅存活了40天时间。路易斯维尔大学研究人员也在去年4月打印出了心脏瓣膜和小静脉,他们希望在未来能够使用病人的细胞打印出一颗可以正常跳动的心脏。

 

  对于3D生物打印的前景,中国工程院院士、被誉为中国“3D打印之父”的卢秉恒认为,预计5~10年内,我国即可使用3D技术打印包括脏器在内的人体活体器官。

 

  卢秉恒介绍道,在医疗领域,3D打印目前已能够定制骨骼,方便医生在手术前反复练手。此外,还有医生将3D打印应用于癌症的靶向治疗,打印癌症病变部位后反复模拟,最终使用穿刺技术将药物精准送达病灶。也许在未来,用台式扫描仪评估病人伤口后,就可以直接在病人伤口处打印人体组织。

 

  至于3D生物打印的费用,北京解放军总医院骨科研究所副主任彭江表示,如果二三十年后,3D打印器官的技术能真正成熟,它也一定是高端消费。“因为整个研发、细胞培养等一系列的成本非常高,当然等到实现规模化生产时,成本会有所降低,但前期投入不可忽视。”彭江说。

 

  3D打印流程:

 

  “设计蓝图”必不可少

 

  3D人体器官打印和塑料雕像打印之间的原理极为相似:都一个墨盒和喷头,它们可以喷出“墨水”,并且逐层喷墨。不过,两者之间又有明显不同。

 

  我们都知道大多数器官的样子,但是想要打印出适合某个个体的器官,需要先对病人进行CT扫描,然后制出一张“设计蓝图”,对细胞在每层组织中的位置做详细说明。

 

  生物打印机使用的材料并非是PVC塑料或金属,而是人体细胞以及黏合剂。除了使用真正的细胞之外,生物打印机也可以使用干细胞、生物工程材料和其他人体不会排斥的替代物质。例如,2012年,一位83岁的比利时老太太曾成功移植了3D打印的“钛下巴”,2013年,美国一名男子移植了3D打印的“塑料头骨”。

 

  一旦样本打印出来后,需要将其放到培养器中,以便细胞能够“融合”,彼此之间和谐相处,如同真的器官一样。这一点也是当今3D人体器官打印面临的真正难题。

 

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