3D打印器官，離我們還有多遠？
擁有了3D生物打印機，就如同換掉機器上的老舊零件，我們將無需為尋找稀缺的捐獻器官而擔心；實現(xiàn)了人工智能，機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作，面對可能存在的威脅與挑戰(zhàn)，人類的發(fā)展或許又將迎來新的紀元；建立了量子通信網(wǎng)絡(luò)，基于量子信息傳輸?shù)母咝Ш徒^對安全性，更多的將享受到新一代通信技術(shù)可能帶來的新變化……
隨著科技的發(fā)展，很多以前只能天馬行空般出現(xiàn)在科幻小說和電影中的場景，已不再是天方夜譚。今日起每兩周，本刊將向您展示最新的、讓人腦洞大開的前沿科技，探討先鋒科技的產(chǎn)業(yè)生態(tài)以及各類最炫酷的創(chuàng)新產(chǎn)品。
試想一下，你身上的某個器官或者組織出現(xiàn)了狀況，你正擔心能否找到稀缺的捐獻器官。這時候，醫(yī)院用3D生物打印機打印出一個全新的器官移植到你體內(nèi)，就像換掉一個機器上的老舊零件一樣簡單……借助于科技的發(fā)展，這個以前只能出現(xiàn)在科幻小說和電影中的場景，已經(jīng)不是天方夜譚。
記者近期采訪發(fā)現(xiàn)，近些年來3D生物打印技術(shù)在國內(nèi)外獲得飛速發(fā)展，運用該技術(shù)打印出的手術(shù)模型已經(jīng)開始在一些醫(yī)院廣泛運用。而用3D生物打印機打印出可與人體相容的體內(nèi)植入物，甚至用細胞作為“墨汁”打印出器官和組織的技術(shù)也正不斷取得突破，3D生物打印時代距離我們已經(jīng)觸手可及。
3D打印組織模型
助醫(yī)生“精準手術(shù)”
去年年底，廣州市婦女兒童醫(yī)療中心突然接到了一名來自深圳的小病人小謝。小謝去年12月4日出生，出生半個月以來，體重不升反降，伴有呼吸和吞咽困難。醫(yī)院口腔外科副主任陳亦陽診斷，小謝患有“皮埃爾羅賓綜合征”，這是一種先天頜骨畸形導(dǎo)致的罕見疾病，孩子往往很難喂養(yǎng)，嚴重的可致人死亡，需要盡快做手術(shù)。
“我們需要切開骨頭，把它拉伸，讓它長回正常的位置。在哪里切開（截骨的位置），需要拉到什么程度（角度和距離）都有精確的要求，可謂‘差之毫厘謬以千里’。”陳亦陽說。
以往對這些技術(shù)細節(jié)醫(yī)生只能夠根據(jù)經(jīng)驗判斷，而現(xiàn)在醫(yī)生們有了新的選擇。為了提高手術(shù)效果，陳亦陽團隊聯(lián)系了廣東省一家骨科重點實驗室，對方用生物3D打印技術(shù)制作出了小謝的頜骨模型，醫(yī)生們在模型上先進行了一次“模擬手術(shù)”。
12月27日，小謝的手術(shù)如期進行。由于之前已經(jīng)操練過一次，手術(shù)精度得到極大提高，手術(shù)時間也大大縮短，以往需要兩個小時完成的手術(shù)，壓縮到了不到一個小時之內(nèi)完成。做完手術(shù)之后，小謝睡覺不會突然憋醒了，吃奶也順暢了，體重正在追趕正常進度。小謝的父母放下了心中巨大的石頭，專門給醫(yī)生團隊送來了一面錦旗。
這也是該醫(yī)院將生物3D技術(shù)應(yīng)用于病人的最新案例。據(jù)陳亦陽介紹，醫(yī)院是在2013年左右開始嘗試這項新技術(shù)的，最初運用于少數(shù)疑難病例的手術(shù)，后來在2015年下半年大規(guī)模推廣，現(xiàn)在以他所在的口腔外科為例，幾乎所有需要動頜骨手術(shù)的病人都會運用。
“以前我們認為只有疑難復(fù)雜病例上才需要使用，但隨著不斷應(yīng)用，3D打印技術(shù)在提高手術(shù)精準度、便捷度、可預(yù)測性等方面的優(yōu)勢越來越顯著。只要我們對治療效果有更高要求，就可以更加廣泛地使用這項新技術(shù)。”陳亦陽說，“如果說之前3D生物打印技術(shù)能幫我們解決能不能做手術(shù)的問題，那現(xiàn)在它已經(jīng)進入幫我們讓手術(shù)做得更好、更快的階段。”
3D生物打印體內(nèi)植入物
已初步實現(xiàn)
清華大學(xué)生物制造中心教授、國家“千人計劃”專家徐弢介紹，3D生物打印的應(yīng)用主要有三個階段：體外手術(shù)模型、打印可用于植入人體的類器官和組織以及利用細胞打印出活性器官和組織。
他說，包括廣州市婦女兒童醫(yī)療中心等在內(nèi)的多家國內(nèi)先進醫(yī)院正逐步推廣使用的，即屬于第一類。目前，該技術(shù)還運用于神經(jīng)外科及脊柱外科的個性化手術(shù)模型、假肢等，在復(fù)雜病例的手術(shù)中，有利于術(shù)前規(guī)劃、輔助病人了解病情以及醫(yī)療培訓(xùn)，極大造福了病人。
3D生物打印技術(shù)應(yīng)用的第二個階段是打印體內(nèi)植入物。“現(xiàn)有的軟組織修復(fù)材料，如動物組織、膠原等，會帶來動物疾病傳播、免疫排異、力學(xué)性能弱等問題，而傳統(tǒng)的合成材料，也具有不降解、力學(xué)順應(yīng)性差、組織再生性差等局限。而3D打印在個性化以及微觀仿生方面具有突出的優(yōu)勢。”他說。
在這個階段，利用3D生物打印技術(shù)可以打印出具備良好生物相容性的人體組織，而使用的材料是關(guān)鍵難題。根據(jù)目標部位的差異，有些材料要求不降解，成為永久植入物，而部分材料則要求可以降解，跟人體組織相互發(fā)生作用，促進組織再生。
以廣州邁普再生醫(yī)學(xué)科技有限公司為例，其開發(fā)出了全球首個3D打印軟組織修復(fù)可降解產(chǎn)品——睿膜，并成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。該產(chǎn)品在微觀層面上打印出了自體腦膜組織的纖維結(jié)構(gòu)，相當于搭建了有利于細胞爬行、成長的支架，對腦膜損傷患者具有極強的修復(fù)價值。
據(jù)邁普公司董事長、國家“千人計劃”專家袁玉宇介紹，從宏觀和微觀方面，睿膜都非常接近自體的組織，而且其使用了高分子可吸收材料，可以在自體腦膜再生后降解為二氧化碳和水。該技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平，已經(jīng)分別獲得歐盟CE認證和中國CFDA認證，在包括英國劍橋大學(xué)附屬醫(yī)院等在內(nèi)的全球多家頂級醫(yī)院成功應(yīng)用了數(shù)萬例。
此外，據(jù)媒體報道，新加坡國立大學(xué)蘇州研究院已成功打印出了人體半月板支架，并開始進入動物臨床試驗階段。國際上，2013年，美國FDA批準了全球首個3D生物打印顱骨植入物產(chǎn)品。
什么時候
我們能用上打印器官？
在前面兩個發(fā)展階段的基礎(chǔ)上，徐弢表示，利用細胞打印出活性器官和組織，才是現(xiàn)代意義上的3D生物打印，能夠真正實現(xiàn)“快速成型”，也將會是應(yīng)用潛力最大、應(yīng)用范圍最廣的3D生物打印技術(shù)。
徐弢認為，從技術(shù)層面，還至少需要克服三個挑戰(zhàn)。首先，需要解決打印過程中脆弱的細胞能否存活、能否發(fā)育、會否變異甚至腫瘤化的問題；其次，3D生物打印機必須滿足生物仿生對制造精度及準確性的極高要求；第三，組織及器官是由多材料及多細胞組成的非均質(zhì)體系，對制造學(xué)要求也極高。
目前，科研人員正在加緊攻克難題。捷諾飛生物科技有限公司董事長、杭州電子科技大學(xué)的徐銘恩團隊自主研發(fā)出一臺生物材料3D打印機，已在這臺打印機上成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝臟單元等。
“這臺名為‘Regenovo’的3D打印機支持活細胞打印，打印的細胞有著高達90%的存活率，目前打印出來的活細胞存活時間最長為4個月。”徐銘恩說。
公開報道還顯示，去年年底，四川大學(xué)華西醫(yī)院等科研團隊利用取自恒河猴自體的脂肪間充質(zhì)干細胞制備成3D生物打印墨汁，應(yīng)用自主研發(fā)的3D生物血管打印設(shè)備構(gòu)建出具有生物活性的人工血管，并將其置換恒河猴體內(nèi)一段腹主動脈，實現(xiàn)血管再生。
在國外，3D生物打印研究重鎮(zhèn)美國韋克福雷斯特大學(xué)團隊曾在2006年成功利用細胞擴增技術(shù)在體外培植膀胱。去年2月，該大學(xué)的研究團隊利用新開發(fā)的3D生物打印系統(tǒng)打印出人造耳朵、骨頭和肌肉組織，移植到動物身上后都能保持活性。
而徐弢的團隊，也用心肌細胞和生物材料模擬打印了動物心臟，發(fā)現(xiàn)打印出的心臟還能有節(jié)奏地跳動，提示其具備一定的功能；將羊水中提取出來的干細胞進行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性骨組織。
雖然如此，專家們也提醒，實驗室成功不等于產(chǎn)業(yè)化成功。對醫(yī)療產(chǎn)品來說，在應(yīng)用于人體之前必須符合國家法規(guī)，且在安全性、有效性方面符合臨床要求，這需要大量的實驗驗證。據(jù)估算，一個不含細胞的用于組織修復(fù)的3D打印產(chǎn)品從研發(fā)到上市，大致需要5年到6年時間。而含活細胞的3D打印產(chǎn)品，因尚有諸多技術(shù)難題待突破，還不能估計上市時間。
“雖然時間很長，但我們不能停止在這方面的創(chuàng)新和研究。相信通過各個領(lǐng)域?qū)＜业耐献鳎覀円欢茉缛諏崿F(xiàn)人類打印自身器官的科學(xué)夢。”徐弢說。
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