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3D打印醫(yī)療技術(shù)掀起新醫(yī)學產(chǎn)業(yè)革命

2014-11-26 11:38:30  來源:  字體大小:

        例如,生物學家會在實驗室里研究排列在人類靜脈、動脈和毛細血管內(nèi)的內(nèi)皮細胞。一旦這些細胞被排出體外,就會迅速死亡。實驗室里必須有特殊的設(shè)備,才能維持內(nèi)皮細胞的存活和生長。

        隨著技術(shù)的進步,3D打印機變得廉價和無處不在。Staples和亞馬遜都提供3D打印服務(wù),螺母、螺栓、耳機、眼鏡、運動鞋、珠寶、骨灰盒,甚至是“星球大戰(zhàn)”模型、建筑物模型及整棟房屋,都能通過3D打印機被制作出來。

        治療罕見疾病患兒

        2012年2月,密歇根大學附屬C.S.莫特兒童醫(yī)院的醫(yī)療隊,組織進行了一次不尋常的手術(shù)。手術(shù)對象是一名出生剛?cè)齻月,患有罕見先天“氣管支氣管軟化”疾病的男嬰。

        這個男嬰的部分氣管組織脆弱無比,很小的一件事例如換個尿布都會讓他的氣管崩潰。這時候,他會呼吸困難,并引起附近血管(包括主動脈)阻塞,從而引發(fā)心肺驟停。

        在莫特兒童醫(yī)院里的男嬰一直戴著呼吸器,他脆弱的氣管組織需要被修復(fù)或替換,但手術(shù)風險太大,更何況對象還是這么小的一個孩子。

        醫(yī)療隊聯(lián)系了這個男嬰在阿克倫兒童醫(yī)院的主治醫(yī)生,然后很快做出了用3D打印氣管換掉故障氣管的決定。

        密歇根大學醫(yī)療隊層處理過類似的病例,但這一次他們面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。

        醫(yī)療隊的研究人員先用CT掃描了男嬰的胸腔部位,然后制作出該部位的三維圖像模型;谶@模型,醫(yī)療隊制作和打印出了一塊小“夾板”,用來加固男嬰脆弱的氣管,同時保持氣管暢通。

        這“夾板”堅固且柔軟,能夠隨著男嬰的成長而變大。研究人員稱,“夾板”要在男嬰胸腔內(nèi)呆三年,直到破損的氣管痊愈。因為“夾板”使用一種對人體無害的可溶性材料制成,男嬰的氣管痊愈后,“夾板”便會在其體內(nèi)溶解掉。

        將“夾板”植入男嬰體內(nèi)的三周后,戴著呼吸器的男嬰被送回了家中。2013年5月,據(jù)《新英格蘭醫(yī)學雜志》報道,男嬰已在如常人般長大。

        什么是3D打印

        顧名思義,3D打印機不是用油墨在平坦的紙張上打印內(nèi)容,而是在三維空間內(nèi)逐層打印出立體的東西,塑料、金屬等可粘合材料是3D打印機的“油墨”。

        上世紀80年代,世界上首款3D打印機誕生,發(fā)明者是美國工程師查爾斯·赫爾(CharlesHull),該打印機使用的“油墨”是暴露在空氣中便會凝為固體的丙烯酸溶液。

        3D打印機誕生后,汽車、飛機制造商便可在計算機上畫出復(fù)雜的零件設(shè)計圖,然后打印出來,F(xiàn)在,這種應(yīng)用已經(jīng)十分普遍了。

        3D打印技術(shù)引發(fā)了美國人的熱議,其中一項爭論的焦點是,是否該允許公民用3D打打印機打印槍械。

        現(xiàn)在3D打印機可使用的打印材料包括塑料、金、銀、其它金屬、陶瓷、蠟等。有興趣的人只要支付一小筆費用,就能3D打印出自己的頭像玩偶。

        體外醫(yī)療器械

        3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用正變得越來越普遍。

        幾乎每一天,我們都會在雜志、報刊上看到利用3D打印機修復(fù)受損心臟、四肢、手指、神經(jīng)的報道。

        3D打印技術(shù)的倡導者認為,這項技術(shù)能讓人類享受更多民主,因為可打印的東西越來越個人和私密。不管你相信與否,我們正在用3D打印技術(shù),“克隆”自己。

        去年六月的阿彭斯思想節(jié)上,醫(yī)療健康領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)引發(fā)了一番熱議。首先發(fā)言的是3DSystems公司的工業(yè)設(shè)計師斯科特·薩米特(ScottSummit)。

        3DSystems的創(chuàng)始人是3D技術(shù)發(fā)明家查爾斯·赫爾(CharlesHull),如今該公司已成長為全球領(lǐng)先的3D打印機和3D服務(wù)供應(yīng)商。

        3DSystem的3D打印金屬矯正牙套Invisalign頗受歡迎。Invisalign牙套使用透明材料制成,為病患量身定做。3DSystem會根據(jù)病患牙齒的恢復(fù)情況定期對牙套進行調(diào)整,直到病患的牙齒問題被徹底解決。

        如今,3DSystem正穩(wěn)步進軍醫(yī)療市場。幾個月前,該公司和奧克蘭兒童醫(yī)院的研究人員進行了一項測試,用3D打印機打印出“脊椎”,以便幫助那些在成長過程中脊椎彎曲的年輕人。

        不過要想修復(fù)彎曲的脊椎,佩戴者必須無時無刻不佩戴著3DSystem的產(chǎn)品,多數(shù)孩子似乎不愿承受這“痛楚”。

        斯科特·薩米特指出,現(xiàn)在的青少年不愛外出和運動,他們更愿意在電腦前呆一整天,這對成長中的脊椎非常不利。但他同時也表示,對孩子們不愿意戴著3D打印脊椎的心情可以理解。他說:“幾年前我做過脊柱手術(shù),術(shù)后幾個月我一直使用類似的支架,那東西很不舒服”。

        但斯科特·薩米特強調(diào),3DSystem的3D打印脊椎由精細研磨的尼龍粉末制成,既輕便又透氣,加上是為佩戴者量身定制,就像穿衣服一樣不會有任何不舒服的感覺。

        斯科特·薩米特表示,該公司已經(jīng)在22個女孩間進行了測試,他希望未來這種產(chǎn)品能得到更廣泛的應(yīng)用。

        在阿彭斯思想節(jié)當天,斯科特·薩米特還將46歲的阿曼達帶上了舞臺。1992年的一場滑雪事故讓阿曼達失去了她的雙腿,F(xiàn)在,她是一家?guī)椭c瘓人士的基金會的主管。

        2013年,3DSystems的研究人員找上了阿曼達。研究人員先用儀器掃描了她的下半身,然后用柔軟的尼龍纖維打印出殘缺的軀干、小腿和大腿。隨后,研究人員將3D打印四肢裝到了EksoBionics公司的電動護腿上。就這樣,一套定制的人類“下半身”誕生了。阿曼達穿上了它,并開始練習慢慢行走。

        3D打印植入體

        在此之前,3D打印技術(shù)多被用來打印假肢。但最近,越來越多的例子證明,3D打印物體被用在人體內(nèi)部也同樣管用。

        3DSystems將自己的技術(shù)提供給制作定制膝關(guān)節(jié)植入體的Conformis公司。今年早些時候,威爾士的一名外科醫(yī)生,利用該技術(shù)為29歲男子史蒂芬·鮑爾重塑了面部骨骼。

        鮑爾在一起摩托車事故中傷及頭骨,左臉頰、眼窩、上顎多部位脫落。通過掃描鮑爾“幸存”的骨骼,醫(yī)療小組制作出了他整個面部的3D結(jié)構(gòu)圖,然后打印出假體,并植入鮑爾的頭部臉上。

        最近,蒙特斐奧醫(yī)院的OrenTepper博士將3D打印的醫(yī)學應(yīng)用提升到了新水平。

        2012年,OrenTepper博士接手了一個名叫杰拉的女嬰。這個女嬰先天下巴殘缺,經(jīng)常性呼吸困難。通常來說,醫(yī)院可為這種患者進行頜骨重建,但這種骨移植手術(shù)風險太大,以杰拉當時的年齡并不適合。

        OrenTepper博士為杰拉做了頭部掃描,用3D打印機打印出理想的下顎模型。OrenTepper博士打算改變杰拉的下顎形狀,使其與模型匹配。

        然后,OrenTepper博士打印出適合杰拉下巴的三維模具。模具上有狹縫和空洞,讓他能在不損害杰拉面部神經(jīng)的前提下植入東西。最后,他給杰拉的下巴裝了個棘輪。

        每天,OrenTepper博士會將杰拉的下巴向前“拖拽”一毫米,以促進其骨細胞生長。幾周后,杰拉的下巴已經(jīng)長得和普通孩子無異了。

        現(xiàn)在,OrenTepper博士每年都要治療兩至三個有類似殘疾的孩子。

        OrenTepper博士說:“如果沒有3D打印技術(shù),復(fù)雜的重建手術(shù)風險會很大,失敗的幾率也大得多”。

        3D打印細胞和器官

        未來3D打印技術(shù)還會給醫(yī)療帶來更大飛躍。

        多年來,研究人員一直致力于再造腎臟、肝臟、器官、軀體。但在實驗室里進行細胞組織培養(yǎng)已經(jīng)十分困難,而3D打印讓我們看見了新的希望。

        上世紀90年代,維克森林再生研究所所長安東尼·阿達拉(AnthonyAtala),開始在實驗室里培養(yǎng)可降解支架人類膀胱細胞。他培養(yǎng)的細胞呈袋狀,后來被成功植入7名膀胱功能較差的孩子體內(nèi)。

        安東尼·阿達拉的這一成就引起了軒然大波,被認為是再造人體器官史上首次真正的勝利。在他之前,科學家也許能用3D技術(shù)打印出聚合物支架上的氣管細胞、心肌細胞、腎細胞,但始終未能使其成長為成熟器官。

        當越來越多的科學家努力在實驗室里再造人體器官,問題的關(guān)鍵已不再是他們能否成功,而是如何成功。

        世界上首款顯微鏡誕生于16世紀,和望遠鏡差不多的時間。望遠鏡和顯微鏡帶來宏觀和微觀領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。然而讓天文學家從三維角度理解宇宙很容易,讓細胞學家從三維角度理解微觀世界卻很難。

        長久以來,人類對微觀世界的理解一直停留在二維水平。其中一個主要原因是,顯微鏡下的標本必須被放在薄玻璃片上。如果說讓生物學家從三維立體角度理解組織和器官已經(jīng)非常難,那就更別說將它們重建出來了。

        首先,研究人員將內(nèi)皮細胞放在涂有凝膠混合膠原蛋白和其他蛋白質(zhì)的塑料盤上,然后將塑料盤放在孵化器內(nèi)。孵化器需要維持一定溫度,還得輸入適量的氮、二氧化碳和水蒸氣。在這樣的環(huán)境條件下,內(nèi)皮細胞能存活數(shù)周。但即便是最資深的研究人員,也無法控制內(nèi)皮細胞自組膠原基質(zhì)。

        結(jié)構(gòu)對生物系統(tǒng)正常運行十分重要,鐮形細胞性貧血就是由單一的形狀改變基因突變引起。正常蛋白質(zhì)的基因代碼稱為“球蛋白”,球蛋白幫助紅血球?qū)⒀鯕廨斔偷饺梭w組織中。當基因發(fā)生突變,球蛋白崩潰堵塞血管。

        直到現(xiàn)在,阿茲海默癥(老年癡呆癥)的研究人員也未發(fā)現(xiàn)腦細胞如何自發(fā)使淀粉樣蛋白質(zhì)異常,從而引起老年癡呆癥的真相。神經(jīng)元在培養(yǎng)皿中的表現(xiàn)和在人類大腦中完全不同。

        萊斯大學的生物工程師喬丹·米勒(JordanMiller)指出,成功的再造器官至少由數(shù)十億、不同類型的活細胞構(gòu)成。

        生物學家希望都希望能解決這一問題,在塑料或環(huán)氧支架上培養(yǎng)不同類型的細胞。然而這種前仆后繼的嘗試卻鮮有成功,就算外部細胞能不斷增殖,內(nèi)部細胞也會因缺乏營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣而死亡。

        生物學家也許能培養(yǎng)出數(shù)十億腎細胞,并最終形成外形似腎的東西。但是如果沒有持續(xù)生長的血管來滋養(yǎng)整個腎器官,這腎臟仍形同虛設(shè)。

        新型3D打印細胞材料

        哈佛材料學家珍妮佛·劉易斯(JenniferLewis)稱:“之前我看TED演講,有個人說他們成功打印出了腎臟,然后展示了一個外形似腎臟的東西。我覺得這番話很有誤導性,形狀像腎不一定就是腎,科學家不該給人錯誤的期望”。

        今年50歲的劉易斯留著短發(fā),戴無框眼鏡,是一位友好而有禮貌的人。盡管對3D打印組織、器官持謹慎態(tài)度,但她的研究也在向這一新技術(shù)領(lǐng)域偏移。

        今年2月,劉易斯和研究生大衛(wèi)(DavidKolesky)發(fā)表了一篇論文,論文描述了一種用先進材料保證打印出的細胞能大量增殖的新方法。

        在論文中他們提到,通過專門的3D打印機,他們能打印出類似人體內(nèi)的蛋白矩陣和活細胞類型。重要的是,他們設(shè)法為這些細胞組織建立了血管網(wǎng)絡(luò),就像真正的血管一樣,這些血管網(wǎng)絡(luò)可以為細胞提供維持生命的營養(yǎng)。

        劉易斯指出,他們還沒有實現(xiàn)3D打印器官,但卻是邁進了一大步。她說:“我們稱這為3D生物打印,是生物歷史上的重要一步”。

        劉易斯生長于伊利諾斯帕拉蒂尼,畢業(yè)于伊利諾斯大學香檳分校。大一的時候劉易斯被招募到一個陶瓷工程項目小組,她一直是該項目小組的成員,直到獲得麻省理工陶瓷科學博士學會。劉易斯喜歡陶瓷的特殊屬性,陶瓷是很多高科技電子產(chǎn)品的關(guān)鍵材料。

        1990年,劉易斯回到香檳分校任教,并開始從事3D打印的研究。她認為,3D打印技術(shù)是按體素構(gòu)造材料的完美工具。她說:“三十年前如果你想3D打印某個東西,會用紫外線固化樹脂或熱塑性塑料,做出來的基本上就是原型或模具,這不是我想要的”。

        2001年,劉易斯開始與材料工程師斯科特·懷特(ScottWhite)合作。

        在此之前,懷特和同事南茜用3D打印機創(chuàng)建出一種充滿微膠囊的新材料,新材料的微膠囊里充滿特殊的愈合劑,當材料受到磨損時,微膠囊就會打開并釋放愈合劑量。微膠囊中的愈合及是單體,當被釋放及遇到材料中的其它化學物質(zhì)時,就會發(fā)生化學反應(yīng)并修復(fù)潛在裂縫。

        劉易斯加入懷特的團隊后,研究人員開始意識到,這種新型材料應(yīng)當有自己的微通道,方便愈合劑達到裂縫,就像體內(nèi)的凝血蛋白和血小板通過毛細血管到達和治愈傷口那樣。

        最初,他們用加熱時會融化的蠟基“油墨”作為打印材料。2011,路易斯開始開發(fā)普朗尼克(聚丙二醇與環(huán)氧乙烷的加聚物)“油墨”。普朗尼克在室溫下是凝膠狀,但在冷卻至略高于冰點時,就會變成液體。

        劉易斯和懷特用3D打印機打印出了嵌入普朗尼克網(wǎng)絡(luò)的塑料物體。該物體被冷卻后,液化的普朗尼可被吸出,留下一條“通道”。

        劉易斯認為,這種材料給他們提供了在3D打印器官中嵌入微血管網(wǎng)絡(luò)的方法,具有廣泛的影響和意義。

        事實上,劉易斯的方法只是諸多打造復(fù)雜3D打印器官方法其中之一。布萊根婦女醫(yī)院和卡卡耐基梅隆大學的研究人員,正開發(fā)磁控制“微型機器人”,這種機器人將細胞儀預(yù)先安排的結(jié)構(gòu)排列。

        波士頓大學、萊斯大學、麻省理工大學的研究團隊,正在研究用糖基“油墨”制作3D血管。其中一名研究人員對劉易斯的工作贊不絕口,稱劉易斯是“世界級的佼佼者”。

        革命性改變

        研究人員對自己的工作充滿熱情,相信3D打印能給醫(yī)藥行業(yè)帶來革命性改變。

        生物學家認為,每年國家、企業(yè)花費巨額資金開發(fā)藥物,其中不少都打了水漂。如果3D打印組織成為可能,那么醫(yī)院就能在病患服用藥物、接受治療前進行測試,觀察有沒有什么副作用之類。

        當然,研究人員也知道,3D打印器官需要解決的問題還有很多。就像劉易斯說的:“3D打印器官是人類另一個登月項目,很難,但絕對值得一試”。

        來源:湯國平看國療

責任編輯:88訂單網(wǎng)
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