3D打印，見證醫(yī)學(xué)科技的發(fā)展

王金武

3D打印又叫累積制造技術(shù)，是一種利用計(jì)算機(jī)的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，使用粉末狀金屬或塑料或者其他可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。傳統(tǒng)的打印是將油墨打印在紙上，只有二維。3D打印就是一層層地將粘合材料累積上去，打印機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)做好的模型，將材料堆積成立體的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的機(jī)械制造主要通過削除材料完成產(chǎn)品的方式不同，3D打印可以簡單地做成以前很多不太可能或者復(fù)雜無比的產(chǎn)品。

最早的3D打印出現(xiàn)在1980年代，但是直到2010年代3D打印機(jī)才開始廣泛出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年3D打印機(jī)市場銷售總額增長了109%，達(dá)到7.11億美元。2014年3D打印市場規(guī)模達(dá)到38億美元，預(yù)計(jì)到2018年將增長四倍，達(dá)到162億美元。3D技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于建筑、制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車制造、航天事業(yè)、軍事和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

3D打印機(jī)可以打印出巧克力、鞋子、飛機(jī)模型等物體，這聽起來非常有趣，且充滿神秘感。不過，有很多科學(xué)家正在從事著一項(xiàng)枯燥但卻對人類有著重大意義的3D打印技術(shù)研究：他們通過打印人體器官來挽救人類生命，來改變?nèi)说纳?。近年來?D打印已經(jīng)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上發(fā)展迅猛，可以說打開了一扇全新的大門。

治病救人的一張“王牌”

2012年，美國俄亥俄州。剛生下來6周的小男孩凱巴開始出現(xiàn)呼吸困難，拒絕進(jìn)食。兩個(gè)月的時(shí)候，小凱巴的癥狀越來越糟糕，已經(jīng)無法自主呼吸了，醫(yī)生必須給他插上氣管插管維持呼吸。

檢查發(fā)現(xiàn)，小男孩患上了極端罕見的先天性支氣管軟化癥，氣管自行塌陷，無法自主呼吸，必須依賴氣管插管生活。無奈之下，父母四處求醫(yī)。最后被介紹到了密西根大學(xué)醫(yī)學(xué)院。該醫(yī)院的醫(yī)生和研究人員一再商討之后，搬出了救命的儀器：3D打印機(jī)。他們根據(jù)CT的3D成像，使用3D打印機(jī)用生物塑料材料打印了近百個(gè)氣管支架。在得到美國食品藥物管理局（FDA）的緊急批準(zhǔn)之后，給小凱巴移植了這個(gè)3D打印出來的氣管支架。手術(shù)后，小凱巴開始了自主呼吸，7天后撤離呼吸機(jī)。數(shù)周后，小凱巴出院，再也沒有出現(xiàn)過窒息危險(xiǎn)。這個(gè)氣管支架用可以降解的材料做成，3年后即會自行吸收，到那時(shí)，他的氣管也會發(fā)育成熟，不再需要支架了。

這是世界第一例3D打印的氣管用于臨床。

3D人體器官打印

在3D打印醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，歐美領(lǐng)先全球。2011年，北卡的再生醫(yī)學(xué)研究所的一名博士展示了他們使用3D打印機(jī)打印出來的人體腎臟。他們使用培養(yǎng)出來的腎臟細(xì)胞作為打印材料，一層層將細(xì)胞打印在提前設(shè)計(jì)好的虛擬模型上。第一層是細(xì)胞，第二層是水凝膠用來粘合固定細(xì)胞。然后一層層重復(fù)，直到整個(gè)腎臟打印出來。等到細(xì)胞存活了，水凝膠被降解，留下來的只有細(xì)胞。這樣細(xì)胞就形成一個(gè)完整器官結(jié)架。這個(gè)初期的腎臟再被移到培養(yǎng)器中，提供養(yǎng)分，促進(jìn)生長。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)觀察到這個(gè)初期腎臟模型產(chǎn)生了尿樣物質(zhì)，表示已經(jīng)有了部分腎臟功能。這樣的新聞讓人驚嘆，雖然看似遙遠(yuǎn)，但其實(shí)3D打印已經(jīng)較為廣泛應(yīng)用了。

比如打印假牙，或者完美吻合的牙套。2012年，日本的Fasotec公司開始提供腹中的胎兒的3D打印模型，可以讓父母提前看到真實(shí)的孩子形象。華盛頓地區(qū)醫(yī)院使用3D打印機(jī)打印出患者的心臟模型，提供給心臟外科醫(yī)生術(shù)前實(shí)踐練習(xí)。還有更多神奇的應(yīng)用出現(xiàn)在醫(yī)院里。2011年，荷蘭一位83歲的女性因?yàn)楦腥臼チ讼骂M骨，而傳統(tǒng)整形手術(shù)因?yàn)槟晔绿卟荒苓M(jìn)行。醫(yī)生們與3D打印公司合作，用鈦粉作為打印材料，根據(jù)3D掃描的圖像，打印出一個(gè)完美的下頜骨。表面覆蓋生物陶瓷以避免排斥，移植到老人的下巴后，完美愈合。

事實(shí)上，很早以前，研究人員就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里培植人體器官，但是直到20世紀(jì)90年代，“生物打印”才突然引起人們的關(guān)注。這一切得感謝威克弗里斯特再生醫(yī)學(xué)研究院的科學(xué)家，他們3D打印出來了人造膀胱。在21世紀(jì)初，克萊姆森大學(xué)生物工程師托馬斯·博蘭開始利用噴墨打印機(jī)來分離生物“墨水”，并最終打印出3D物體。

2007年，第一家生物打印公司Organovo成立。這家公司打印的肝臟組織樣本用于藥物測試和研究。該公司希望能夠在不遠(yuǎn)的將來開發(fā)出一種能夠正常使用的肝臟。

3D人體器官存活的原理

盡管3D人體器官打印和塑料雕像打印之間存在很大差異，但是它們的打印過程是極為相似：兩種打印機(jī)都包括了一個(gè)墨盒和噴頭，它們可以噴出“墨水”（生物墨），并且是逐層噴墨。不過，兩者之間又存在明顯的不同。

我們都知道大多數(shù)器官的樣子，但是想要打印出適合單個(gè)個(gè)體的器官，科學(xué)家需要對病人進(jìn)行CT掃描。然后，他們需要通過計(jì)算機(jī)軟件來分析結(jié)果，并制出一張“藍(lán)圖”，這張藍(lán)圖需要對細(xì)胞在每層組織中的位置做詳細(xì)說明。

生物打印機(jī)使用的并非是PVC 塑料或者金屬，而是人體細(xì)胞以及粘合劑（粘合劑是用來將所有組織和細(xì)胞結(jié)合在一起）。除了使用真正的細(xì)胞之外，生物打印機(jī)也可以使用干細(xì)胞，生物工程材料和其他人體不會排斥的替代物質(zhì)。比如，2013年，美國一男子頭部移植了3D打印的塑料頭骨。

一旦樣本打印出來后，需要將其放到培養(yǎng)器中，以便細(xì)胞能夠“融合”，彼此之間能夠和諧相處，如同真的器官一樣。最后一點(diǎn)也是當(dāng)今3D人體器官打印面臨的真正難題，它也是目前這項(xiàng)技術(shù)無法在全球推廣的原因。

3D人體器官打印的難題

威克弗里斯特再生醫(yī)學(xué)研究院主管安東尼·阿塔拉表示，3D打印器官是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，其中最主要的難題就是尋找到可以用來構(gòu)成人體組織的“材料”，然后讓其能夠在體外生長。此外，我們還無法將3D打印器官放置人體后，使其能夠長時(shí)間緊緊粘合在一起。人體真正的器官是非常復(fù)雜的，打印出來的細(xì)胞盡管能夠融合在一起，但并不意味著它們就能夠發(fā)揮功效。康奈爾大學(xué)生物工程師胡迪·利普森指出，目前還沒哪一種軟件強(qiáng)大到可以建立非常詳細(xì)的器官模型，供研究人員打印3D器官前做參考。

此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，血管的搭建也不是一件簡單的事情。器官需要?jiǎng)用}，靜脈以及毛細(xì)血管來促使血液循環(huán)和體內(nèi)營養(yǎng)的傳輸。但是，血管都非常的長、且非常細(xì)微，呈管狀，這樣就大大增加了打印的難度。不過，即便如此，仍有研究人員對此進(jìn)行過嘗試：2014年5月，布里格姆婦科研究人員使用了一種分子瓊脂糖作為血管模板。

改變?nèi)祟惿畹母叨丝萍?/p>

到目前為止，在3D打印器官方面，也出現(xiàn)了很多“半成功”案例。之所以說“半成功”，是因?yàn)樗鼈兇蠖鄶?shù)都無法正常工作，或者僅僅只能存活幾天時(shí)間。比如，Organovo就打印出了一種能夠正常使用的微型人體肝臟，但是它僅僅存活了40天時(shí)間。路易斯維爾大學(xué)研究人員在2014年4月成功打印出了心臟瓣膜和小靜脈，他們希望在未來能夠使用病人的細(xì)胞打印出一顆可以正常跳動的心臟。

未來，臺式掃描儀在掃描和評估病人傷口后，就可以直接在病人傷口處打印人體組織。但是在這之前，我們需要將生物打印器官和組織先放到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培育，通過參考準(zhǔn)確無誤的樣本，將其移植到病人身上。

3D打印不僅能打印器官，有朝一日也可以提高或者加強(qiáng)人類的能力，普林斯頓大學(xué)的研究人員正在朝這個(gè)方向努力。他們將電子元件結(jié)合到細(xì)胞打印中去，成功地使用水凝膠和小牛的細(xì)胞打印出一個(gè)人類的耳朵，在這個(gè)耳朵中，加入了由銀納米顆粒做成的電子天線。這個(gè)傳感器可以接收人類耳朵聽不見的頻率。也許有一天，我們就可以裝上這個(gè)耳朵，成了傳說中的順風(fēng)耳。

這些我們實(shí)際經(jīng)歷的醫(yī)學(xué)生物學(xué)的進(jìn)步，有朝一日將會徹底改變?nèi)祟惖纳?。到那時(shí)，也許換個(gè)器官就如同換個(gè)汽車零件一樣容易。endprint