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自造人体器官

有关统计数据显示,我国每年150万器官衰竭患者中,仅有一万余人能得到器官移植,更多的人只能在等待配体的过程中病情恶化甚至离世。如果3D打印能够解决这项难题,无疑将成为最受市场关注的焦点。然而,生物信息处理、高精度打印机等是目前3D生物打印面临的最大瓶颈,解决这一系列难题,尚需时日。

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随着近年来全球不断掀起的“3D打印热”,先行者们的好奇心已不满足于打印一些玩具摆件、塑料杯子等常规物品,他们将目光投向了想象空间更为广阔的生物医学领域。


尽管3D打印在生物医学市场前景广阔,但生物数据处理、合适的生物材料、打印设备研发以及打印后的活体组织存活等四大技术性问题,是当前科研工作者面临的“最难啃的骨头”。


北京工业大学激光工程研究院教授陈继民表示,3D打印在生物医学的应用是一个由远到近的过程,“乐观估计还需5~10年才能获得突破。”


开启“私人订制”健康时代


中国工程院院士戴尅戎介绍了这样一个案例:医生通过提取一位患脂肪瘤女孩腿部的CT参数,将数据输入3D打印机,并打印出女孩腿部的3D下肢骨骼的3D模型,最终帮助女孩双脚直立。


从这项案例能一探3D打印在生物医学领域应用的端倪,那么3D生物医学打印的全貌是什么?


杭州电子科技大学教授徐铭恩对此解释到,3D生物打印是以三维设计模型为基础,通过软件分离分层离散和数控成型的方法,用3D打印的方法成型生物材料,特别是细胞等材料。此项技术可用来制造人工的组织,人工的器官、各种假肢、手术导板等一系列材料。


简言之,3D打印在临床医学的应用,一方面是通过患者病变部位扫描成像,利用3D打印机将二维图像打印成3D模型,让病人和医生更为直观地观察与沟通,并根据模型反应的实际情况量身定做手术方案,保证手术精度;另一方面,通过3D模型,用特殊的生物“墨汁”打印活体细胞,在体外培育仿生器官及活体组织,再植入人体内。


戴尅戎说,“由于一般常规的假体都是标准型号,3D打印不仅能制定出最适合病人的手术方案,也能为病人安装上最合适的假体。”


在个性化消费的浪潮中,个体化健康方案无疑是一个大趋势。美国毒理研究院院士、蓝光3D生物打印研究院院长康裕建认为,临床医学引入3D打印技术,开启了“精准医学”、“订制健康”的时代。


尽管3D打印在生物医学的应用属于起步阶段,但短短数年发展至今已有不少令人叹为观止的成果。除了义肢、假牙、骨骼支架等没有生命特征的产品,科学家们已开始着手研究具有活性的人体细胞组织和器官,抑或在将来大面积填补器官移植的缺口。


陈继民表示,3D打印在医学领域的应用,是一个由远到近的过程,“离人体越远的,如义肢、骨骼关节,已经比较普及了。反之,离人体越近的应用,如组织修复和体内器官移植,乐观估计还需5~10年才能获得突破。”


尚存多项难题待解


3D生物医学打印,吸引的不只是科学家及狂热者,更博得了各路资本的青睐。据了解,国内一些公司如先临三维、蓝光发展和光韵达等,均先后开始涉足3D生物医学打印这一蓝海。市场研究机构LuxResearch预测,3D打印技术在医疗市场将于2025年达到19亿美元的规模。


不过,业内人士认为,3D生物领域真正发展成为产业化还为时尚早。


康裕建认为,生物信息处理、生物墨汁研发、高精度打印机以及打印后处理是目前3D生物打印面临的最大瓶颈。


在康裕建看来,在打印一个生物假体之前,要了解它的全部信息,并根据掌握的信息进行二维到三维的转化。一些复杂的器官,如心脏、肝脏等,由于血管、细胞等组织分布密集,在没有完全获得此类脏器的信息打印出来的仿生品,发挥不出功效。


同时,打印所需的材料——“生物墨水”的研发难度仍较高。主要表现在细胞间如何作用,怎么排列,如何控制其所处的微环境。


除了上述提到的技术性难题,3D生物打印还面临政策空挡和伦理问题。


加大投入基础研究


虽然3D打印在生物医学领域,的确能把许多不可能变成可能,但令人遗憾的是,国内外尚无有效手段破解前述提及的若干瓶颈。且人体组织的复杂性也让3D生物医学打印在短期内还无法进行大规模应用。


陈继民表示,现有的医学水平尚不能完全将人体器官分析透彻,“科研工作者应投入更多精力到基础研究,掌握丰富的生物信息后,才能使3D打印更进一步发展。”


康裕建则建议,从事3D生物打印的公司应建立相关的IT部门,专注于对生物信息、数据的采集、分析和转化。


据了解,目前3D生物医学打印的工作原理为分层堆叠,液态材料、粉末材料、金属材料通过喷嘴喷出后再层层固化,最后形成三维物体。


另外,器官打印的过程原则上会对生物细胞的活性造成一定的损伤,这需要通过一些特殊的设计和处理,才能保存其较高的活性。并且,控制好细胞所处的微环境,需要足够的细胞培养液予以供给。陈继民指出,“要想达到快速成型又保持活性,以现有的生物材料而言,解决这一难题还需要时间。”


对于打印后的活体处理问题,陈继民认为,现在虽然能实现仿生器官表面的细胞具有一定活性,但如何进入具有一定厚度的器官内部,并将营养输送进去,使其从死体变成活体,则是目前科研工作者攻克的方向,“目前研究人员已经在尝试将密密麻麻的毛细血管打印出来并分布到器官的各个角落。


值得一提的是,徐铭恩及其团队已成功通过3D生物打印技术打印出人类肝脏单元、脂肪组织等。打印出的细胞存活率达90%,能够存活四个月。


活体器官打印:看上去很美


“在未来,人们根本不用担心会因器官病变而死于非命,亦无需等待遥遥无期的捐赠者,只需支付一笔费用,就能获得一个功能与外表兼顾的人造器官回归正常生活。”——这是好莱坞经典电影《重生男人》中的剧情。


据统计,我国每年大约有150万器官衰竭患者,有30万适合器官移植方式治疗,但是,却仅有1万余人能得到器官移植的救治,有限的活体器官来源满足不了患者需求。


随着被称为“人类另一个登月计划”的3D生物打印技术的出现,或许能填补这一空白,也可以令电影中的情形在现实中得以实现。这一天马行空的想法是用“生物墨汁”通过3D打印机,打印出1:1的仿生器官模型,再通过体外培育细胞组织为模型注入“生机”,最后再植入人体内替代病变的器官,实现器官移植。


不过,多位业内专家表示,该技术目前还处于起步阶段,如何实现从观赏性到功能性的改变,还需要打印材料、器官精确数据等多个方面的技术性突破。


活体器官稀缺


目前我国人体器官市场的供求比为1:100。单以肾移植手术为例,每年进行移植的患者为3000人,而需求者高达30万。大多数患者只能在等待配体的过程中病情恶化甚至离世。


在此背景下,3D活体器官打印成为了科研工作者眼中的“香饽饽”。


资料显示,3D生物打印技术在2003年实现了单一细胞打印,6年后实现了多细胞打印,并且业内普遍认为到2020年打印活体器官的目标也将达成。


中国工程院院士戴尅戎介绍,目前已有不少专家在进行活体器官打印的研发。


四川蓝光英诺生物科技股份有限公司近期表示,公司将于下半年推出一款3D生物打印机,目标是打印人体组织片和血管。


从单细胞到多细胞,再到构建复杂的器官组织,器官打印的研发似乎已离成功仅有一步之遥了。


活体器官尚未“激活”


尽管3D医学打印备受资本追捧,但部分国内相关上市公司并不打算进入纯粹的生物3D打印技术领域。


深圳光韵达科技有限公司董事长侯若洪坦言,“我们目前做的是工业制造和医学手术,没有涉及生物打印领域。我认为现在3D打印生物上的应用大部分还停留在高校和实验室里。”


资料显示,一个成功的再造器官至少由数十亿不同类型的活细胞构成,如何在实验室条件维持细胞的结构形态、为器官提供营养、连接血管网络仍是待解的难题。


美国Drexel大学教授JackZhou曾公开表示,运用3D打印技术制成的物体要植入人体,必须经过大量细胞培养和试验,来确保其能够在人体存活。但人体组织之复杂,远非现在的技术能够驾驭。


此外,面世的生物材料仅有30多种,数量有限。这些材料会否对人体组织发生反应,产生副作用,也需要长期的临床观察。


北京工业大学激光工程研究院教授陈继民表示,3D打印器官目前还只停留在模型上,如何赋予它“生命”,是实现活体器官移植最艰巨的任务。


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