3D技术应用于医学 “打印”人体器官成为现实

来源: 人民网 
3D技术应用于医学 “打印”人体器官成为现实

[导读]也许有一天,打印机会让整个医学界发生革命性的变化。生物打印机大量生产心脏、肝脏和其他人体器官,以缓解器官移植受手术中的供体短缺问题。

原标题:3D技术应用于医学 “打印”人体器官成为现实

3D技术应用于医学“打印”人体器官成为现实

美国Organovo公司生产的生物打印机

普林斯顿大学的科学家使用3D打印技术打造的一只仿生耳朵

也许有一天,打印机会让整个医学界发生革命性的变化。生物打印机大量生产心脏、肝脏和其他人体器官,以缓解器官移植受手术中的供体短缺问题。

医学博士达里尔・德利马博士在斯克利普斯医院领导着一个骨科研究实验室,他已经成功地在牛的组织中人工制造了一个软骨组织。他通过一个经过改造的老式喷墨打印机把生物墨水中的活体细胞一层一层地打印了出来。他也在人体组织中打印出了软骨,这些人体组织来自那些需要进行膝盖移植手术的病人。

但德利马认为,要完善生物打印技术,还有大量的工作要做。要拿到管理部门的许可证,要做大量的临床试验。他的终极目标听起来像科幻故事:在手术室架设一台生物打印机,医生可通过这台打印机直接在需要修复的部位打印人体组织。

A 3D技术应用于医学

业余爱好者和一些公司已经可以通过3D打印机打印日常可见的一些物体、模型和零部件(甚至是枪支),而在医学领域内,科研人员对于3D打印技术的兴趣也越来越大。通常的3D打印中,使用塑料或粉末一层一层地打印出需要的物品;而所谓的3D生物打印机,通常是在液体或凝胶中打印出生物组织。其目标不是生产一个小部件或玩具,而是修复生物组织。

在世界范围内,研究者们已经利用生物打印机做了实验。生物打印技术首先要看通过打印机喷头出来的生物细胞会不会被杀死(大多数情况下,细胞会被杀死),然后,生物打印机用细胞制造软骨、骨头、皮肤、血管、小块肝脏和其他的组织。

现有人造生物组织的一个方法是,在塑料或其他材料制成的支架上添加细胞,然后让细胞成长。从理论上说,生物打印技术在制造生物组织方面有它的优势,它可以模仿自然结构来控制细胞和其他成分的布局。

虽然有人把3D生物打印技术吹得神乎其神,但英国曼彻斯特大学研究员布莱恩・戴尔比却认为,“任何有信誉的人都不会相信,有人能打印出人体器官,或者他们从内心深处相信这个技术将在20年内实现。”戴尔比去年曾在著名的《科学》杂志发表了一篇关于生物打印技术的论文。

现在,研究者已经把目标降低。比如位于美国圣迭戈市的Organovo公司已经研制出了生物打印机,研究人员用它打印约有20个细胞厚的部分肝脏。该公司的研究人员说,这个肝脏组织可以用来试验正在研发中的新药。

德国汉诺威医学院实验室正在试验用生物打印机制造皮肤组织;而另一家德国实验室正在试图打印心脏细胞,以用于修补那些受损的心脏;得州大学艾尔帕索分校的托马斯・博兰德博士已经研究出一种打印脂肪组织的方法,这一技术将来也许能用在那些需要做乳房肿瘤切除手术的女人身上,以帮助她们生长新的乳房。

B 打印软骨或可实现

达里尔・德利马承认,他想制造软骨打印机的梦想――也许是一个固定在精确定位的机械手臂上的打印喷头――要一些年头才能实现。但他认为,这项工作比其他目标更有机会成为现实。“打印一个完整的心脏或膀胱是令人着迷、令人兴奋的,”他说,“但打印软骨也许是3D打印技术引入医学领域最先实现的目标。”

德利马认为其中的一个原因是,软骨组织的构造比其他组织要简单得多。软骨细胞位于胶原纤维和其他细胞分泌物混合而成的组织中。作为一种细胞,软骨细胞相对来说比较容易养护,它们不需要太多的营养液,这就简化了打印过程。

让被打印组织得到滋养,以让它存活,是研究者们面临的最大的挑战。大多数的细胞要保持在很短的距离内(通常是两个细胞的宽度)才能获得营养液,自然生成的组织是通过微细血管或毛细血管来完成这一目标的。但在生物打印中,要想制造仿生毛细血管却十分困难。但德利马不需要担心这个问题,因为软骨细胞只需要从关节和骨头上扩散出来的非常少的营养液,这些营养液帮助软骨缓解由于关节活动所带来的压力。

德利马博士也不需要担心神经问题,因为软骨组织上没有神经。但他有其他要担心的问题,膝盖和臀部的软骨结构复杂,增加了打印过程中的难度。

C 有待克服的难题

现在,德利马和他的同事开始考虑用一台热能喷墨打印机,在打印机的墨盒里装上生物墨水,生物墨水被加热后会产生气泡,迫使生物墨水滴落。这个技术非常可靠,在很多的3D打印技术中都有运用。但研究人员却很谨慎,因为打印过程中会产生热量。“我们认为,(打印过程中产生的)热量足以杀死细胞。”德利马博士说。

但博兰德和其他人所做的基础研究显示,打印过程中热能的脉冲非常快,因此,大多数的细胞都能存活下来。

德利马的团队很快又发现了另一个问题:对他们的研究来说,最新的喷墨打印机太复杂了。“打印机的分辨率太高,以致细胞无法从打印机的喷嘴里出来。”他们最终决定用一台产于上世纪90年代的500型号的惠普喷墨式打印机,这台打印机的喷嘴更大。

有了打印机后,德利马团队再用制造软骨需要的混合物替换打印机墨盒中的墨水,混合物包括一种名叫PEG-DMA的液体和软骨细胞。

但在打印过程中,打印所用的混合物却出了问题:细胞会在混合物中沉淀下来,并阻塞打印机的喷头。因此,研究者必须找到一个方法让混合物不沉淀。同时,混合物还必须是液体,这样才能用于打印,但一旦打印出来了,它就必须成为凝固体。通过实验发现,PEG-DMA在紫外线的照射下会成为固体。因此,德利马的解决办法是,让打印区域直接暴露在紫外线下,这样,从打印机喷出的每一滴生物墨水都能被固定。“这样,你就在打印人体组织了。”德利马说。

现在德利马和他的同事正在研究是否能用其他材料做凝固胶。因为,PEG-DMA虽然是一种生物相容的材料,美国国家食品药品监督管理局也允许使用这种材料,但它在人的身体内不会消失,并可能引发炎症。因此德利马需要找到一些随着时间推移会在人体内降解的材料。德利马需要这种材料能达到人体骨骼的降解率。

德利马说,除了以上的障碍需要克服外,还有一些障碍有待克服。其中最基本的一个障碍是,如何找到合适的、足够的细胞用于打印。德利马认为,用病人身体其他部位有限的软骨细胞的话,将不会有多大意义。所以,他的实验室正在试验用干细胞和可变成软骨细胞的前体细胞。“干细胞的优势是,它实际上是可以无限供应的。”德利马说。

同时,实验室也升级改造其打印技术。虽然那台老式的喷墨打印机仍在实验室,但它已经被闲置了一年多了,它已经被惠普公司生产的另一台更加精细的设备所替代。它本质上是一个程式化的打印喷头,可以让研究人员调节墨水滴的大小和其他的特征,以使打印过程更加完善。

德利马说,最大的障碍也许是监管问题,比如向美国食品药品监督管理局提供充足的证据证明,用生物打印技术打印的软骨是安全的,绝大多数的科学问题已经在实验中被解决了。“我想,要让它用于实际的医疗中,我们还须保持谨慎的乐观。”他说。(万秋波)

责任编辑:王琦