人類健康的未來（二）3D打印的廣闊前景

文/繡夫 編輯/天下

人類健康的未來（二）3D打印的廣闊前景

文/繡夫 編輯/天下

從二維到三維

從制造身體的“零件”（比如腳和手）到體內的器官，3D打印開創(chuàng)了醫(yī)療保健的新領域。

當癌癥研究員羅莎莉?西爾斯博士點擊打印按鈕時，并沒有墨水噴灑在紙上。相反，從她的3D打印機的不同噴頭上做出了真實的人體細胞。

片刻間，在她面前出現了一個非常小的腫瘤—一個病人癌性生長物的精確副本。此時，她和她的同事可以用任何一種癌癥治療手段嘗試攻擊被打印出來的癌癥細胞復制品。

西爾斯是美國俄勒岡衛(wèi)生與科學大學（位于波特蘭）的分子和醫(yī)學遺傳學教授，她說：“這樣一來，我們將能夠真實地測試各種治療手段引起病人腫瘤作出的何種反應。”

西爾斯的工作只是3D打印技術對醫(yī)學的諸多潛在影響中一個令人興奮的實例，從假肢、細胞到栩栩如生的器官模型，甚至到移植的人體組織，3D打印技術都有用武之地。

打造量身定制的機器人手臂和手是3D打印在健康照護領域更加廣為人知的用途。一些志愿者利用在線的免費軟件已經設計出人造手臂和手。這樣的假肢比傳統假肢具有更多的功能，通常前者的成本與后者相比微乎其微，比如，50美元與30000美元之比。

美國國立衛(wèi)生研究院計算機科學家和3D打印技術專家特里?柳博士說：“這比以往任何時候都更加容易。今天，人們正開始嘗試在實驗室做3D打印的腳?！?/p>

美國康奈爾大學工程系副教授胡迪?利普森博士—《3D打印技術的新世界》一書的作者說：“這僅僅是開始，3D打印材料的范圍在不斷擴大，機器的成本也在下降，我們正看到越來越多的應用領域。我們還沒有見到這一領域的盡頭?！?/p>

3 D打印技術用于心臟手術

美國兒科心臟病專家馬修?布拉姆萊特博士已經見證了3D打印技術在伊利諾伊州皮奧里亞縣伊利諾伊兒童醫(yī)院所取得的效益，他正在那里學習。在那家醫(yī)院，外科醫(yī)生在準備和計劃對有復雜的心臟缺陷的兒童手術時，可以得到他們打印的病人心臟的三維模型的幫助。

結果如何呢？手術變得更加有效。在一個病例中，三維模型幫助醫(yī)生想出了一個不同于常規(guī)的方法來修復一個3歲孩子的心臟。這個男孩最初的預期壽命是20~30歲，但現在他有望正常地生活。

布拉姆萊特說：“三維模型允許我們把病人的心臟從二維的屏幕中拉出來，實際上它就‘握’在我們手中，這樣，我們可以從未有過的維度上對病人的心臟狀況作出評估。這就從根本上改變了手術的方法?！?/p>

在美國國家兒童醫(yī)學中心（位于華盛頓哥倫比亞特區(qū)），工程師阿克塞爾?克里格博士也用他的打印機組裝出患者不良心臟的模型，并利用這些模型作為手術的指導和教學工具。他的團隊已經做了約40個心臟模型，但問題仍然是：這樣做能否提高手術效果呢？“現在說有效，還為時過早。因為這些手術是非常復雜的，很難準確地評價這種模型有什么作用，因為它只是工作流程中的一個小步驟?！笨死锔裾f。

他預言，到明年，做過更多的心臟手術后，他們會有更好的手術方案。

癌癥研究者的好幫手

癌癥研究人員西爾斯也歡迎這種超越二維圖像缺陷的能力。她說：“我們可以在實驗室培養(yǎng)皿上讓腫瘤細胞生長，但是，那不是存在于身體內的腫瘤細胞。二維圖像并不能模擬我們在醫(yī)院看到的病人實際情況。這就是為什么我們設計了成千上萬有針對性的治療方法，在實驗室看起來很有希望，但在臨床試驗中卻沒有獲得成功的原因?！?/p>

使用小白鼠—在癌癥研究中常見的工具—也有嚴重的缺點。缺點之一是時間太長。西爾斯說：“往往需要6個月的時間來在小鼠體內種植腫瘤并使其生長。對于某些快速惡化的癌癥，如胰腺癌，患者不能夠等待那么久。而現在，運用3D打印技術，或者更準確地說是3D生物打印技術，因為這涉及人類細胞。在兩個星期內，我們就可以知道這些被打印出來的腫瘤是否響應某個設定的治療方法?！边\用3D打印技術的另一個優(yōu)勢是：西爾斯可以同時打印多個相同的腫瘤，讓她同時測試多個藥物的效果。

她說：“這是非常令人興奮的，無論是在有可能很快獲知何種藥物對患者有效，還是在了解癌癥細胞與其他細胞的溝通方法方面。對我來說，現在充滿了前所未有的希望?！?/p>

但西爾斯說，未來仍需要做很多研究。最大的問題在于，患者的腫瘤會以與3D打印出來的模型同樣的方式對藥物作出反應嗎？

3 D打印技術發(fā)展的新目標

利普森博士認為，西爾斯的研究只是3D打印技術朝著最令人興奮的方向邁出的第一步。他說：“終極目標是生物打印，或可稱為利用活細胞進行打印?！彼A測，我們將在未來幾年內開始超越模型制作階段。下一個目標是可植入的3D打印的人體組織。

他說：“我認為，將來我們將一步一步向上攀登。從打印簡單的組織，如軟骨和骨骼，到打印各種各樣復雜的能發(fā)揮功能的組織器官，這是真正的巔峰?！?/p>

他提醒說，雖然實驗室和動物試驗正在進行中，但美國食品藥品監(jiān)督管理局批準其使用大概至少還需要5年的時間。

他說：“先進技術的發(fā)展也會產生有趣的倫理問題。例如，如果科學家能運用3D生物打印技術制造一個新膝蓋來替換你飽受關節(jié)炎困擾的膝蓋，那么你是要復制你的舊膝蓋，還是允許計算機設計出一個更好的新膝蓋？進而發(fā)生的問題是，我們可以重建或改善我們的身體嗎？”

利普森說，在短期內，我們將看到越來越多的3D打印出來的合成移植物，如髖關節(jié)和其他可置換的關節(jié)，并且可以根據要求設計其形狀來提高它們的工作效果。當然與傳統的假體不同，植入物可能很昂貴。所以他認為3D生物打印技術的新發(fā)展，將取決于經濟，“資金和市場將被優(yōu)先考慮，而不是純粹的技術問題。但我們應該期待大的發(fā)展，因為將來有無限的可能性在等待著我們去開發(fā)?！?/p>

仿生人與仿生器官的發(fā)展

1.世界上第一位“仿生人”

雷克斯，這是圖中間的這個機器人的名字，它是展示當今最先進的假肢和生物力學技術的一個具備功能的電子人體。它依靠視網膜植入物來看事物，用機器手來抓東西，并依賴被傳感器驅動的腿走路。它也有腎、脾、肺、胰腺，以及一個由電池供電、用塑料制成的心臟泵血。簡而言之，它幾乎是活生生的證明：如果我們的部分器官失效了，我們還可以得到新的人工器官。

2.機器人骨架

它叫Ekso，是加利福尼亞大學伯克利分校制造出來的仿生人體骨骼。它已經在世界各地的康復中心幫助那些因為腦卒中、受傷或腦麻痹之類疾病而失去了走路能力的人們。電池驅動的馬達驅使腿邁動，以彌補失去的大腦驅動肌肉的功能。這一設備的制造商正在與美國加利福尼亞州奧克蘭兒童醫(yī)院和研究中心合作，為孩子們再制造一個適合的骨骼。

3.人造心臟

醫(yī)生已經將叫做“SynCardia”的人工心臟用于那些等待移植心臟的人們身上，據稱美國有1250名這樣的病人。病人將攜帶一個背包大小的驅動器，這個驅動器保持心臟的各種功能，并且將變得功能更強。這樣人們可以隨處走動，離開醫(yī)院，也可以回家。美國食品藥品監(jiān)督管理局已經允許它的制造者使用它，看看這一設備是否能持久適用于病人。對于這樣的病人而言，心臟移植已不再是唯一的選項了。

4.逼真的假肢

現在的假肢，不僅能像真的肢體一樣工作，而且顯得比以前更加真實，表面的細節(jié)如雀斑、指紋、涂色指甲、頭發(fā)甚至紋身，無不栩栩如生，還可以配以皮膚的色調。制造者說，這些逼真的產品，不僅能幫助使用者移動，它們還可以修補某些失去肢體而引發(fā)的情感創(chuàng)傷。

5.智能手機控制的手臂

用戶可以編寫多達24種指令輸入他們的智能手機，就可以指揮這種最新版本的觸摸仿生手臂。這個小玩意兒利用肌電技術運作：傳感器偵測你肌肉的微小移動，你手上的電腦則將此轉換成幾十種精確的動作。德國用戶克勞蒂亞?布賴德巴赫說，這個手臂正好可以用于她的愛好—競技跳傘。實際上，其他假肢可利用這種觸摸仿生技術。

6.心靈驅動的假肢

萊?鮑在40年前的一次電氣事故中失去了雙臂，他成為第一個佩戴可以用大腦控制的假肢的雙肩平齊截肢者。他說，這個裝置給了他幾十年來夢寐以求的運動自由度。美國馬里蘭州巴爾的摩市約翰?霍普金斯醫(yī)院創(chuàng)傷外科醫(yī)生艾伯特卡醫(yī)學博士說，將做新的重建神經手術來控制萊?鮑的手臂和手。但這一項目仍處于早期發(fā)展階段。

7.腳踝置換

這種電池供電的腳踝假體，由一名失去雙腿的麻省理工大學教授發(fā)明。它能模仿逼真的運動狀態(tài)，并讓用戶有更自然的步態(tài)。這種仿生腳能隨著高低不平的地面向上和向前移動。這些運用高技術的人造膝蓋和腳踝將電子、機械技術和生物學相結合，其效果就像真正的關節(jié)。

8.大腦思想推進的仿生腿

扎克沃特擁有世界第一條由大腦思想控制的仿生腿，他可以坐、站、走路和爬樓梯。事實上，他爬上了103層高的芝加哥威利斯大樓。一臺電腦讀取他腿部肌肉的電信號和從仿生腿上傳過來的數據。電腦便判斷出他想做哪種運動，把指令發(fā)送到他的仿生腿上，然后他就開步走了。這種仿生腿到2018年會得到廣泛使用。

9.有高活動性的模塊化手臂

弗雷德曾是美國退伍軍人事務部假肢部部主任，他得到了一條“盧克臂”（盧克是電影《星球大戰(zhàn)》中的人物），以代替他在越南戰(zhàn)爭中由于地雷爆炸而失去的手臂。這一手臂通過感測另一完好肢體肌肉的活動，允許用戶完成復雜的動作。這種手臂與人的手臂的大小、形狀和重量完全相同。另外它已實現模塊化，因此完全可以取代失去的手、小臂或完整的手臂。它是經美國食品與藥品監(jiān)督管理局批準并生產的。

10有感覺的假手

丹尼斯?索倫森有一只不同尋常的假手：他能感覺到手里抓的是什么。由歐洲Nebias項目組設計的這只假手上有傳感器，與索倫森的上臂神經相連接。現在，當他抓住一樣東西時，即使他蒙上眼睛，也可以說出它是什么—一個棒球，一個雞蛋，或者一個杯子。研究人員仍在深化這項技術，幾年后它將投放市場。

11.視網膜植入物

30年來的第一次，拉里?海絲特可以看到他妻子的臉了。也許細節(jié)看得并不清楚，但已可以使他碰到和觸摸妻子的臉。海絲特是全世界約100名接受ArgusII系統的人之一。一個微小的攝像頭安裝在一副眼鏡上，它會發(fā)送圖像到視網膜植入物和海絲特隨身攜帶的一個小型電腦中。這個系統雖然不能恢復海絲特的視力，但它可以幫助他以及那些因視網膜色素變性失去視力的人們分辨光亮區(qū)域和黑暗區(qū)域。（未完待續(xù)）