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3D打印的医学憧憬: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向《每日经济新闻》记者表示,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。


戴尅戎告诉《每日经济新闻》记者,“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(600466,咨询)和光韵达(300227,咨询)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。


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