信不信由你，用桌面級(jí)MakerBot 3D打印機(jī)就可以打印出人體氣管
近日，美國(guó)北岸-LIJ 醫(yī)療集團(tuán)（North Shore-LIJ Health System）下屬Feinstein醫(yī)學(xué)研究所的研究人員在3D打印醫(yī)療方面獲得了新的突破：他們用一臺(tái)普通的MakerBot 3D打印機(jī)以及該公司生產(chǎn)的PLA線材打印出了一個(gè)定制的氣管支架，該支架能夠與活細(xì)胞結(jié)合生成一段活的氣管！
一般來(lái)說(shuō)，人類的氣管是比較容易受到損害的器官之一，這些傷害可能來(lái)自腫瘤、氣管插管，鈍傷等。同時(shí)也可能出現(xiàn)氣管變窄或各種缺陷，而且往往難以修復(fù)。目前醫(yī)學(xué)界常用的重建受損器官的兩種方法都有其局限性。
Goldstein先生是Hofstra北岸LIJ醫(yī)學(xué)院的博士生，在過(guò)去的一段時(shí)間里，他一直在與北岸-LIJ醫(yī)療集團(tuán)的一群醫(yī)生合作，以探索如何將3D打印和組織工程技術(shù)用于人體氣管的修復(fù)和更換。醫(yī)生們?cè)就茰y(cè)，這個(gè)研究項(xiàng)目可能需要持續(xù)10到20年，但Goldstein先生和Feinstein研究所的團(tuán)隊(duì)只用了一個(gè)月。
Feinstein研究所的研究人員已經(jīng)知道如何將軟骨細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)成分混合在一起培養(yǎng)，然后與膠原蛋白結(jié)合，使其形成軟骨。但是要將其塑造成鼻骨或氣管的形狀還需要3D打印的幫助。3D打印機(jī)可以構(gòu)造出支架，然后研究人員在其上覆蓋軟骨細(xì)胞和膠原蛋白的混合物，使其長(zhǎng)成軟骨。
“制作一個(gè)氣管是未知的領(lǐng)域。”Goldstein先生指出：“它必須具有足夠的剛性，以承受咳嗽、打噴嚏等壓力變化，還要有足夠的柔性，讓脖子自由移動(dòng)。通過(guò)3D打印機(jī)，我們能夠很快打印出支架并交給外科醫(yī)生立即檢驗(yàn)，然后我們可以共同努力，實(shí)時(shí)修改設(shè)計(jì)。”
研究團(tuán)隊(duì)改裝了一臺(tái)MakerBot Replicator 2X 3D打印機(jī)，讓其中的一個(gè)擠出機(jī)擠出PLA，而另外一個(gè)擠出機(jī)則擠出生物材料。“3D打印技術(shù)給了我們?cè)趲讉�(gè)小時(shí)內(nèi)完成原型、檢驗(yàn)、觸摸、感受，然后重新設(shè)計(jì)的能力。”Cohen兒童醫(yī)學(xué)中心耳鼻喉科負(fù)責(zé)人Lee Smith博士說(shuō)：“如果我們將這些設(shè)計(jì)送到商業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)，那么這個(gè)周期就會(huì)拉長(zhǎng)到幾個(gè)星期。我們今天就不可能獲得這些成果。”
Feinstein研究所之前也考察了一些可以直接擠出活細(xì)胞的3D打印機(jī)，但它們的功能比較少，而且價(jià)格昂貴。一臺(tái)專門的生物打印機(jī)往往要價(jià)18萬(wàn)美元。而他們的目的主要是為了驗(yàn)證自己的理念，于是他們決定用更實(shí)惠、方便的MakerBot 3D打印機(jī)。
本來(lái)，Goldstein先生認(rèn)為，他需要某種無(wú)菌、而且能夠在體內(nèi)溶解的特制PLA材料。然而，由于時(shí)間比較緊，他們決定先試試普通的MakerBot PLA線材。“PLA的優(yōu)勢(shì)在于它能夠用于各種外科植入設(shè)備。”Smith博士說(shuō)。通過(guò)測(cè)試，Goldstein先生發(fā)現(xiàn)，PLA打印時(shí)擠出機(jī)熱端產(chǎn)生的高溫可以起到消毒的效果，這樣普通的MakerBot PLA線材也可以使用。
而需要保持室溫的生物墨水，則使用另外一個(gè)擠出機(jī)，在打印過(guò)程中被注入PLA支架的縫隙中，然后在MakerBot的熱床上固化成凝膠。一個(gè)兩英寸長(zhǎng)的氣管段——形如中空的巧克力棒——只需不到兩個(gè)小時(shí)就可以打印完畢。一旦生物油墨粘附到支架上，就會(huì)被送入一個(gè)生物反應(yīng)器，這個(gè)生物反應(yīng)器有點(diǎn)像烤爐，主要是為了保持有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的溫度。不過(guò)一臺(tái)新的生物反應(yīng)器市場(chǎng)售價(jià)在5萬(wàn)到15萬(wàn)美元之間。于是Goldstein先生就根據(jù)自己的需求用3D打印機(jī)打印出了齒輪等部件，自己DIY了一臺(tái)定制的生物反應(yīng)器。
日前，Goldstein先生和Zeltsman博士在圣迭戈舉辦的胸外科學(xué)會(huì)第51屆年會(huì)上發(fā)表此項(xiàng)研究成果，展示了如何在孵化器內(nèi)用四個(gè)星期制作出一個(gè)3D打印的氣管或氣管段。 據(jù)Goldstein先生總結(jié)說(shuō)：“細(xì)胞可以在3D打印過(guò)程中存活，并能夠繼續(xù)分裂，并產(chǎn)生最終形成軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)。”換言之，它們會(huì)像氣管軟骨一樣生長(zhǎng)。
不過(guò)，F(xiàn)einstein研究所目前的工作仍然屬于“概念驗(yàn)證”的性質(zhì)。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在確定將其用于氣管修復(fù)之前還有很多工作要做。Smith博士預(yù)計(jì)，未來(lái)五年內(nèi)他們能夠做到收集病人的細(xì)胞，并讓它在支架上生長(zhǎng)，以修復(fù)氣管。
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