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3D打印将为生物医学带来什么?

  对于生物学,尤其是医学研究,3D打印又能带来什么呢?如今,研究人员正利用这项技术来创建组织工程的支架、解剖模型、个性化的外科植入物,甚至是人造器官。

3D打印可谓当今的热门话题。看过《生活大爆炸》的同学也许还记得,有一集中HowardRaj就花了5000美元买了一台二手的3D打印机,来DIY自己的人像公仔。而《碟中谍》系列电影中阿汤哥招牌的“手撕面具”动作,也为3D打印做了一个好广告。对于生物学,尤其是医学研究,3D打印又能带来什么呢?如今,研究人员正利用这项技术来创建组织工程的支架、解剖模型、个性化的外科植入物,甚至是人造器官。 

3D打印开辟了我们之前没有的各种可能性,”密歇根大学耳鼻喉科的助理教授David Zopf谈道。“它的确是一个工具,就像我们在手术室中用到的许多工具一样。我想,我们才刚刚开始了解如何使用3D打印机,以及它有哪些功能。”尽管“3D打印”这个词已经无处不在,但它所指的并不是单一种过程。正如打印在纸上的方法有许多种一样,3D打印也包括几种不同的技术。 一些3D打印机操作起来就像喷墨打印机一样,而其他一些则利用光来引发聚合反应。一些利用热来熔化并挤出塑料材料,就像牙膏一样,而另一些利用激光将粉末材料熔合成固体物,这种工艺称为激光烧结(laser sintering)。

3D打印是一种反复的添加技术。它不是从一块材料开始,通过减法处理(如雕刻或研磨)来去除不想要的东西。添加制造从零开始,根据计算机的指令选择性地打造对象,每次打造一层,”莱斯大学生物工程系的助理教授Jordan Miller谈道。手术材料这项技术在生物医学中有多个应用,包括创建外科手术中的个性化植入物。

Zopf及其同事就利用这种方法来治疗一些患有气管支气管软化症的儿童,这是一种可能致命的缺陷。这就好比你有一顶帐篷,但支撑帐篷的杆无法起作用,Zopf解释道。“这顶帐篷已经失去了它的结构,会慢慢坍塌。呼吸道也一样。” 2013年,Zopf及其同事在《新英格兰医学杂志》上发表了一篇文章,介绍了一种夹板,可随着儿童的生长而支撑呼吸道。利用计算机断层扫描(CT),研究小组建立了患儿气管的个性化解剖模型。

然后,他们创建了一种定制的圆管,有些类似吸尘器的软管。它从一边打开,让呼吸道能够随着儿童的生长而增大。他们把这个固定在气管的外面,以保持呼吸道打开。在这个病例中,他们利用激光烧结的方法,以聚己内酯来制造夹板,这种材料常用在缝合线中,在体内可逐步降解。“我们希望这些东西最终能被吸收,”Zopf说,“因为随着这些孩子的呼吸道不断生长,我希望它不会受到这个设备的约束。”后续的研究发表在《科学-转化医学》上,详细介绍了这种技术在另外三个孩子中的应用。在其中一个病例中,两块夹板被移植到同一位患者体内,其中一块夹板的设计不得不调整,以确保它之后不会碰到另一块。

“这种设计修改在3小时内完成,第二天打印,充分展示了3D打印的适应性和精确性,”作者写道。Kyle VanKoevering是密歇根大学绿色实验室的一名研究员,也在工作中使用了3D打印。VanKoevering称,他利用这种技术来创建医学模型,以便计划手术干预,例如,精确计划在患者下颌骨的哪个位置开刀,以便切除肿瘤。“我们所做的任何事情,只要能节省手术室中的时间,就对患者有好处,”他说。他还在探索用这项技术来打造手术模型,以便练习那些精细的过程。VanKoevering对鼻子特别有兴趣,它有着高度复杂的内部结构。

“现在,我们最好的模拟机会是尸体组织,”他说。“不过3D打印机让我们能够打印出相同的东西,让学员能够练习手术过程。这些3D结构很容易更换,也不需要尸体。”生物打印3D打印的另一个生物医学应用是生物打印(bioprinting)。在这种情况下,“墨水”可以是细胞聚集物或水凝胶中的细胞,它们通过打印机而放置在一个矩阵中。这种模型可用来改善药物开发过程中的毒理和药物测试。

Organovo就是一家专门从事生物打印的公司,已开发出模拟肝功能的3D模型,作为传统细胞培养和动物模型的替代物。据介绍,肝功能无法由培养皿中的细胞所重复,而动物也不能很好地模拟人类。因此,毒理学的试验过去只能在临床试验中开展。Organovo向制药界的客户提供这些模型。同样地,Miller也在开发生物打印的策略,以便建造他所谓的“中等尺寸”的组织结构 也就是毫升大小的肺或肝组织。“对我们而言,这是一个很好的开始,”他解释道。最终,Miller希望能建造全尺寸的人体器官。

不过,即使是最简单的器官,也是非常复杂的,而研究人员并不清楚他们必须达到的复杂性。Miller估计,这类移植至少要等到几十年以后。不过,技术发展得如此之快,“你可以看到整个领域为什么如此激动,”他说。想象它的未来发展,确实是件让人激动的事。(作者:Jeffrey M. Perkel / 生物通编译)