盤點3D打印器官在醫(yī)療中的十大應(yīng)用
時間：2016-08-20 22:14 來源：未知 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
伴隨著科技的發(fā)展，器官移植成為越來越多臟器衰竭，惡性腫瘤患者生存的希望，但供體不足，一直困擾著患者和醫(yī)生。因此地下器官交易，黑市交易器官猖獗。中國政府對新型器官移植技術(shù)也非常的重視。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國每年150萬器官衰竭患者中，僅有一萬余人能得到器官移植，更多的人只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。如果3D打印能夠解決這項難題，無疑將成為最受市場關(guān)注的焦點。
1.3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展
3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)迅速的發(fā)展，與國際水平相比上下。徐銘恩團(tuán)隊來自杭州電子科技大學(xué)自主研發(fā)出一臺生物材料3d打印機(jī)，較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等現(xiàn)已在這臺打印機(jī)上成功打印出。該研究成果被國際最具有影響力的期刊Biomaterials評為2012年在3D打印人造器官領(lǐng)域的最高水平。Hsieh等為中國臺北國立臺灣大學(xué)分子科學(xué)與工程學(xué)院的，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用是利用溫敏生物材料載神經(jīng)干細(xì)胞結(jié)合3D打印人造器官技術(shù)。清華大學(xué)徐弢等打印了動物心臟，是利用心肌細(xì)胞和生物材料模擬。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)胞能夠有節(jié)奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細(xì)胞進(jìn)行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。除此之外，千人計劃國家特聘專康裕建團(tuán)隊利用Rollovesseller3D打印平臺，將含有種子細(xì)胞、生長因子和營養(yǎng)成分等組成的“生物墨汁”，其他材料結(jié)合層層打印出產(chǎn)品，打印經(jīng)培育處理后，形成組織結(jié)構(gòu)并具有生理功能;同時，發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物的專利，即一種新型的精準(zhǔn)的具有仿生功能的干細(xì)胞培養(yǎng)體系。國內(nèi)3D打印人造器官技術(shù)快速的發(fā)展，已在細(xì)胞、器官、醫(yī)療植入體等不同領(lǐng)域應(yīng)用而生。
2.3D打印人造器官技術(shù)取得的成就
目前，由3D打印人造器官技術(shù)打印出來的器官組織，會存在結(jié)構(gòu)上非常不穩(wěn)定、過于脆弱的缺點，無法用于外科移植手術(shù)。并且這些成品缺乏血管構(gòu)造、尺寸也偏小，即便移植，器官也不容易獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，很難存活。
就上述存在的缺點，美國韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊改進(jìn)了現(xiàn)有3D打印人造器官技術(shù)，開發(fā)出“組織和器官集成打印系統(tǒng)”(ITOP)。這一新開發(fā)的3D打印人造器官系統(tǒng)，可將含有活性人體或動物細(xì)胞的水基凝膠與可生物降解的聚合材料結(jié)合作為打印材料，有助于人造器官形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這一系統(tǒng)還能在人造器官中打印出許多類似血管的微小通道。器官組織移植到動物身上后，可通過這些通道獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，這是保證器官移植后存活的關(guān)鍵。一段時間后，血管會逐漸在人造器官中生長，取代微型通道。
為驗證效果，研究人員將打印的人造耳朵、肌肉纖維和顎骨移植到小鼠身上。一段時間后，這些人造器官組織都成功存活下來，并長出了血管和神經(jīng)等結(jié)構(gòu)。器官移植報告作者之一、韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院學(xué)者安東尼·阿塔拉說，將兩種材料結(jié)合的打印過程以及組織結(jié)構(gòu)中的微小通道，為人造器官中的細(xì)胞存活、組織生長提供了適當(dāng)環(huán)境。ITOP的另一個優(yōu)勢是，能夠通過計算機(jī)斷層掃描及核磁共振成像技術(shù)為患者“量身定制”要移植的器官組織。比如一個患者需要接受耳朵移植，這一系統(tǒng)能夠根據(jù)成像數(shù)據(jù)打印出尺寸合適的人造耳朵供移植。
近些年，隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，器官移植所面臨的難題有可能被解決的。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，實際是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置，是基于計算機(jī)三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印的一種新興應(yīng)用技術(shù)。3D打印人造器官是以3D打印為基礎(chǔ)的以活細(xì)胞為原料打印活體組織的一種技術(shù)。研究表明，3D打印人造器官可以以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化而來的活細(xì)胞為原料，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，因而將失去功能的器官或組織替換，某些程度上這就解決了移植供體不足問題。所以，3D打印人造器官已在器官移植領(lǐng)域獲得了一定的成果，在骨骼、人造血管、皮膚、血管夾板、心臟組織和軟骨質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用而生。但3D打印人造器官技術(shù)仍然存在著一系列的技術(shù)問題及安全問題。
3D打印人造器官技術(shù)在國外的發(fā)展
3D打印人造器官技術(shù)，目前在國外快速的發(fā)展，使得制造、生物科學(xué)等方面的科研人員重視。韓國浦項科技大學(xué)的 Lee等，2009年使用微型SLA 技術(shù)在生物制造領(lǐng)域生產(chǎn)組織支架。英國諾丁漢大學(xué)教授Sawkins等制造出機(jī)械性強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)用于骨修復(fù)利用細(xì)胞和蛋白兼容3D 打印人造器官技術(shù)。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用學(xué)院教授Kolesky等，構(gòu)造出異構(gòu)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的血管基于生物3D打印技術(shù)。美國大力推動3D打印人造器官技術(shù)的研發(fā)，如：三維乳房癌組織測試系統(tǒng)的研究、細(xì)胞打印應(yīng)用于創(chuàng)面修復(fù)的研究、基于細(xì)胞組裝的集成微肝臟模擬壯志的研究等。麻省理工學(xué)院(MIT)、美國德雷賽爾大學(xué)(Drexel)等研究機(jī)構(gòu)在細(xì)胞3D打印、器官打印等領(lǐng)域?qū)ｍ椦芯俊２糠轴t(yī)療研究機(jī)構(gòu)及公司利用3D打印人造器官技術(shù)打印出動脈、心肌組織、肺臟、腎臟等人體器官。Lee科研組制備了3D打印水凝膠管道模型，內(nèi)徑為1 mm，形成了微血管床成功誘導(dǎo)周圍毛細(xì)血管。Koch等，研究證實了3D打印技術(shù)用于皮膚組織再生的可行性，將負(fù)載成纖維細(xì)胞與角化細(xì)胞的膠原為原料。1.3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展
3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)迅速的發(fā)展，與國際水平相比上下。徐銘恩團(tuán)隊來自杭州電子科技大學(xué)自主研發(fā)出一臺生物材料3d打印機(jī)，較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等現(xiàn)已在這臺打印機(jī)上成功打印出。該研究成果被國際最具有影響力的期刊Biomaterials評為2012年在3D打印人造器官領(lǐng)域的最高水平。Hsieh等為中國臺北國立臺灣大學(xué)分子科學(xué)與工程學(xué)院的，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用是利用溫敏生物材料載神經(jīng)干細(xì)胞結(jié)合3D打印人造器官技術(shù)。清華大學(xué)徐弢等打印了動物心臟，是利用心肌細(xì)胞和生物材料模擬。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)胞能夠有節(jié)奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細(xì)胞進(jìn)行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。除此之外，千人計劃國家特聘專康裕建團(tuán)隊利用Rollovesseller3D打印平臺，將含有種子細(xì)胞、生長因子和營養(yǎng)成分等組成的“生物墨汁”，其他材料結(jié)合層層打印出產(chǎn)品，打印經(jīng)培育處理后，形成組織結(jié)構(gòu)并具有生理功能;同時，發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物的專利，即一種新型的精準(zhǔn)的具有仿生功能的干細(xì)胞培養(yǎng)體系。國內(nèi)3D打印人造器官技術(shù)快速的發(fā)展，已在細(xì)胞、器官、醫(yī)療植入體等不同領(lǐng)域應(yīng)用而生。
2.3D打印人造器官技術(shù)取得的成就
目前，由3D打印人造器官技術(shù)打印出來的器官組織，會存在結(jié)構(gòu)上非常不穩(wěn)定、過于脆弱的缺點，無法用于外科移植手術(shù)。并且這些成品缺乏血管構(gòu)造、尺寸也偏小，即便移植，器官也不容易獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，很難存活。
就上述存在的缺點，美國韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊改進(jìn)了現(xiàn)有3D打印人造器官技術(shù)，開發(fā)出“組織和器官集成打印系統(tǒng)”(ITOP)。這一新開發(fā)的3D打印人造器官系統(tǒng)，可將含有活性人體或動物細(xì)胞的水基凝膠與可生物降解的聚合材料結(jié)合作為打印材料，有助于人造器官形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這一系統(tǒng)還能在人造器官中打印出許多類似血管的微小通道。器官組織移植到動物身上后，可通過這些通道獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，這是保證器官移植后存活的關(guān)鍵。一段時間后，血管會逐漸在人造器官中生長，取代微型通道。
為驗證效果，研究人員將打印的人造耳朵、肌肉纖維和顎骨移植到小鼠身上。一段時間后，這些人造器官組織都成功存活下來，并長出了血管和神經(jīng)等結(jié)構(gòu)。器官移植報告作者之一、韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院學(xué)者安東尼·阿塔拉說，將兩種材料結(jié)合的打印過程以及組織結(jié)構(gòu)中的微小通道，為人造器官中的細(xì)胞存活、組織生長提供了適當(dāng)環(huán)境。ITOP的另一個優(yōu)勢是，能夠通過計算機(jī)斷層掃描及核磁共振成像技術(shù)為患者“量身定制”要移植的器官組織。比如一個患者需要接受耳朵移植，這一系統(tǒng)能夠根據(jù)成像數(shù)據(jù)打印出尺寸合適的人造耳朵供移植。
研究人員說，他們在試驗中使用過人類細(xì)胞及兔子、老鼠等動物的細(xì)胞進(jìn)行人造器官組織打印，都取得了不錯的效果。目前，這項技術(shù)還處于早期試驗階段，需進(jìn)一步改善，以便未來能用患者的細(xì)胞打印出真正可用于外科移植手術(shù)的人造器官。
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