人類健康的未來(lái)（二）3D打印的廣闊前景

繡夫

從二維到三維

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

當(dāng)癌癥研究員羅莎莉·西爾斯博士點(diǎn)擊打印按鈕時(shí)，并沒(méi)有墨水噴灑在紙上。相反，從她的3D打印機(jī)的不同噴頭上做出了真實(shí)的人體細(xì)胞。

片刻間，在她面前出現(xiàn)了一個(gè)非常小的腫瘤—一個(gè)病人癌性生長(zhǎng)物的精確副本。此時(shí)，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(lái)的癌癥細(xì)胞復(fù)制品。

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

西爾斯的工作只是3D打印技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)的諸多潛在影響中一個(gè)令人興奮的實(shí)例，從假肢、細(xì)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(shù)都有用武之地。

打造量身定制的機(jī)器人手臂和手是3D打印在健康照護(hù)領(lǐng)域更加廣為人知的用途。一些志愿者利用在線的免費(fèi)軟件已經(jīng)設(shè)計(jì)出人造手臂和手。這樣的假肢比傳統(tǒng)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(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院計(jì)算機(jī)科學(xué)家和3D打印技術(shù)專家特里·柳博士說(shuō)：“這比以往任何時(shí)候都更加容易。今天，人們正開(kāi)始嘗試在實(shí)驗(yàn)室做3D打印的腳?！?/p>

美國(guó)康奈爾大學(xué)工程系副教授胡迪·利普森博士—《3D打印技術(shù)的新世界》一書的作者說(shuō)：“這僅僅是開(kāi)始，3D打印材料的范圍在不斷擴(kuò)大，機(jī)器的成本也在下降，我們正看到越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域。我們還沒(méi)有見(jiàn)到這一領(lǐng)域的盡頭?！?/p>

3D打印技術(shù)用于心臟手術(shù)

美國(guó)兒科心臟病專家馬修·布拉姆萊特博士已經(jīng)見(jiàn)證了3D打印技術(shù)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(xué)習(xí)。在那家醫(yī)院，外科醫(yī)生在準(zhǔn)備和計(jì)劃對(duì)有復(fù)雜的心臟缺陷的兒童手術(shù)時(shí)，可以得到他們打印的病人心臟的三維模型的幫助。

結(jié)果如何呢？手術(shù)變得更加有效。在一個(gè)病例中，三維模型幫助醫(yī)生想出了一個(gè)不同于常規(guī)的方法來(lái)修復(fù)一個(gè)3歲孩子的心臟。這個(gè)男孩最初的預(yù)期壽命是20～30歲，但現(xiàn)在他有望正常地生活。

布拉姆萊特說(shuō)：“三維模型允許我們把病人的心臟從二維的屏幕中拉出來(lái)，實(shí)際上它就‘握在我們手中，這樣，我們可以從未有過(guò)的維度上對(duì)病人的心臟狀況作出評(píng)估。這就從根本上改變了手術(shù)的方法。”

在美國(guó)國(guó)家兒童醫(yī)學(xué)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(jī)組裝出患者不良心臟的模型，并利用這些模型作為手術(shù)的指導(dǎo)和教學(xué)工具。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做了約40個(gè)心臟模型，但問(wèn)題仍然是：這樣做能否提高手術(shù)效果呢？“現(xiàn)在說(shuō)有效，還為時(shí)過(guò)早。因?yàn)檫@些手術(shù)是非常復(fù)雜的，很難準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)這種模型有什么作用，因?yàn)樗皇枪ぷ髁鞒讨械囊粋€(gè)小步驟?！笨死锔裾f(shuō)。

他預(yù)言，到明年，做過(guò)更多的心臟手術(shù)后，他們會(huì)有更好的手術(shù)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(shuō)：“我們可以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿上讓腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，但是，那不是存在于身體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞。二維圖像并不能模擬我們?cè)卺t(yī)院看到的病人實(shí)際情況。這就是為什么我們?cè)O(shè)計(jì)了成千上萬(wàn)有針對(duì)性的治療方法，在實(shí)驗(yàn)室看起來(lái)很有希望，但在臨床試驗(yàn)中卻沒(méi)有獲得成功的原因。”

使用小白鼠—在癌癥研究中常見(jiàn)的工具—也有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是時(shí)間太長(zhǎng)。西爾斯說(shuō)：“往往需要6個(gè)月的時(shí)間來(lái)在小鼠體內(nèi)種植腫瘤并使其生長(zhǎng)。對(duì)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(xiàn)在，運(yùn)用3D打印技術(shù)，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)是3D生物打印技術(shù)，因?yàn)檫@涉及人類細(xì)胞。在兩個(gè)星期內(nèi)，我們就可以知道這些被打印出來(lái)的腫瘤是否響應(yīng)某個(gè)設(shè)定的治療方法?！边\(yùn)用3D打印技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：西爾斯可以同時(shí)打印多個(gè)相同的腫瘤，讓她同時(shí)測(cè)試多個(gè)藥物的效果。

她說(shuō)：“這是非常令人興奮的，無(wú)論是在有可能很快獲知何種藥物對(duì)患者有效，還是在了解癌癥細(xì)胞與其他細(xì)胞的溝通方法方面。對(duì)我來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在充滿了前所未有的希望?！?/p>

但西爾斯說(shuō)，未來(lái)仍需要做很多研究。最大的問(wèn)題在于，患者的腫瘤會(huì)以與3D打印出來(lái)的模型同樣的方式對(duì)藥物作出反應(yīng)嗎？

3D打印技術(shù)發(fā)展的新目標(biāo)

利普森博士認(rèn)為，西爾斯的研究只是3D打印技術(shù)朝著最令人興奮的方向邁出的第一步。他說(shuō)：“終極目標(biāo)是生物打印，或可稱為利用活細(xì)胞進(jìn)行打印?！彼A(yù)測(cè)，我們將在未來(lái)幾年內(nèi)開(kāi)始超越模型制作階段。下一個(gè)目標(biāo)是可植入的3D打印的人體組織。

他說(shuō)：“我認(rèn)為，將來(lái)我們將一步一步向上攀登。從打印簡(jiǎn)單的組織，如軟骨和骨骼，到打印各種各樣復(fù)雜的能發(fā)揮功能的組織器官，這是真正的巔峰。”

他提醒說(shuō)，雖然實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物試驗(yàn)正在進(jìn)行中，但美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)其使用大概至少還需要5年的時(shí)間。

他說(shuō)：“先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生有趣的倫理問(wèn)題。例如，如果科學(xué)家能運(yùn)用3D生物打印技術(shù)制造一個(gè)新膝蓋來(lái)替換你飽受關(guān)節(jié)炎困擾的膝蓋，那么你是要復(fù)制你的舊膝蓋，還是允許計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出一個(gè)更好的新膝蓋？進(jìn)而發(fā)生的問(wèn)題是，我們可以重建或改善我們的身體嗎？”

利普森說(shuō)，在短期內(nèi)，我們將看到越來(lái)越多的3D打印出來(lái)的合成移植物，如髖關(guān)節(jié)和其他可置換的關(guān)節(jié)，并且可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)其形狀來(lái)提高它們的工作效果。當(dāng)然與傳統(tǒng)的假體不同，植入物可能很昂貴。所以他認(rèn)為3D生物打印技術(shù)的新發(fā)展，將取決于經(jīng)濟(jì)，“資金和市場(chǎng)將被優(yōu)先考慮，而不是純粹的技術(shù)問(wèn)題。但我們應(yīng)該期待大的發(fā)展，因?yàn)閷?lái)有無(wú)限的可能性在等待著我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)?！?

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(gè)機(jī)器人的名字，它是展示當(dāng)今最先進(jìn)的假肢和生物力學(xué)技術(shù)的一個(gè)具備功能的電子人體。它依靠視網(wǎng)膜植入物來(lái)看事物，用機(jī)器手來(lái)抓東西，并依賴被傳感器驅(qū)動(dòng)的腿走路。它也有腎、脾、肺、胰腺，以及一個(gè)由電池供電、用塑料制成的心臟泵血。簡(jiǎn)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(jī)器人骨架

它叫Ekso，是加利福尼亞大學(xué)伯克利分校制造出來(lái)的仿生人體骨骼。它已經(jīng)在世界各地的康復(fù)中心幫助那些因?yàn)槟X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(qū)動(dòng)的馬達(dá)驅(qū)使腿邁動(dòng)，以彌補(bǔ)失去的大腦驅(qū)動(dòng)肌肉的功能。這一設(shè)備的制造商正在與美國(guó)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?cè)僦圃煲粋€(gè)適合的骨骼。

3.人造心臟

醫(yī)生已經(jīng)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(jù)稱美國(guó)有1250名這樣的病人。病人將攜帶一個(gè)背包大小的驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器保持心臟的各種功能，并且將變得功能更強(qiáng)。這樣人們可以隨處走動(dòng)，離開(kāi)醫(yī)院，也可以回家。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局已經(jīng)允許它的制造者使用它，看看這一設(shè)備是否能持久適用于病人。對(duì)于這樣的病人而言，心臟移植已不再是唯一的選項(xiàng)了。

4.逼真的假肢

現(xiàn)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(shí)，表面的細(xì)節(jié)如雀斑、指紋、涂色指甲、頭發(fā)甚至紋身，無(wú)不栩栩如生，還可以配以皮膚的色調(diào)。制造者說(shuō)，這些逼真的產(chǎn)品，不僅能幫助使用者移動(dòng)，它們還可以修補(bǔ)某些失去肢體而引發(fā)的情感創(chuàng)傷。

5.智能手機(jī)控制的手臂

用戶可以編寫多達(dá)24種指令輸入他們的智能手機(jī)，就可以指揮這種最新版本的觸摸仿生手臂。這個(gè)小玩意兒利用肌電技術(shù)運(yùn)作：傳感器偵測(cè)你肌肉的微小移動(dòng)，你手上的電腦則將此轉(zhuǎn)換成幾十種精確的動(dòng)作。德國(guó)用戶克勞蒂亞·布賴德巴赫說(shuō)，這個(gè)手臂正好可以用于她的愛(ài)好—競(jìng)技跳傘。實(shí)際上，其他假肢可利用這種觸摸仿生技術(shù)。

6.心靈驅(qū)動(dòng)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(gè)佩戴可以用大腦控制的假肢的雙肩平齊截肢者。他說(shuō)，這個(gè)裝置給了他幾十年來(lái)夢(mèng)寐以求的運(yùn)動(dòng)自由度。美國(guó)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(xué)博士說(shuō)，將做新的重建神經(jīng)手術(shù)來(lái)控制萊·鮑的手臂和手。但這一項(xiàng)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(xué)教授發(fā)明。它能模仿逼真的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。這些運(yùn)用高技術(shù)的人造膝蓋和腳踝將電子、機(jī)械技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合，其效果就像真正的關(guān)節(jié)。

8.大腦思想推進(jìn)的仿生腿

扎克沃特?fù)碛惺澜绲谝粭l由大腦思想控制的仿生腿，他可以坐、站、走路和爬樓梯。事實(shí)上，他爬上了103層高的芝加哥威利斯大樓。一臺(tái)電腦讀取他腿部肌肉的電信號(hào)和從仿生腿上傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。電腦便判斷出他想做哪種運(yùn)動(dòng)，把指令發(fā)送到他的仿生腿上，然后他就開(kāi)步走了。這種仿生腿到2018年會(huì)得到廣泛使用。

9.有高活動(dòng)性的模塊化手臂

弗雷德曾是美國(guó)退伍軍人事務(wù)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(zhēng)中由于地雷爆炸而失去的手臂。這一手臂通過(guò)感測(cè)另一完好肢體肌肉的活動(dòng)，允許用戶完成復(fù)雜的動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(jīng)美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)并生產(chǎn)的。

10有感覺(jué)的假手

丹尼斯·索倫森有一只不同尋常的假手：他能感覺(jué)到手里抓的是什么。由歐洲Nebias項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的這只假手上有傳感器，與索倫森的上臂神經(jīng)相連接?，F(xiàn)在，當(dāng)他抓住一樣?xùn)|西時(shí)，即使他蒙上眼睛，也可以說(shuō)出它是什么—一個(gè)棒球，一個(gè)雞蛋，或者一個(gè)杯子。研究人員仍在深化這項(xiàng)技術(shù)，幾年后它將投放市場(chǎng)。

11.視網(wǎng)膜植入物

30年來(lái)的第一次，拉里·海絲特可以看到他妻子的臉了。也許細(xì)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(tǒng)的人之一。一個(gè)微小的攝像頭安裝在一副眼鏡上，它會(huì)發(fā)送圖像到視網(wǎng)膜植入物和海絲特隨身攜帶的一個(gè)小型電腦中。這個(gè)系統(tǒng)雖然不能恢復(fù)海絲特的視力，但它可以幫助他以及那些因視網(wǎng)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)）