3D打印醫療技術掀起新醫學產業革命

        例如，生物學家會在實驗室里研究排列在人類靜脈、動脈和毛細血管內的內皮細胞。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備，才能維持內皮細胞的存活和生長。

        隨著技術的進步，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，螺母、螺栓、耳機、眼鏡、運動鞋、珠寶、骨灰盒，甚至是“星球大戰”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.莫特兒童醫院的醫療隊，組織進行了一次不尋常的手術。手術對象是一名出生剛三個月，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，從而引發心肺驟停。

        在莫特兒童醫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或替換，但手術風險太大，更何況對象還是這么小的一個孩子。

        醫療隊聯系了這個男嬰在阿克倫兒童醫院的主治醫生，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。

        醫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。基于這模型，醫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”便會在其體內溶解掉。

        將“夾板”植入男嬰體內的三周后，戴著呼吸器的男嬰被送回了家中。2013年5月，據《新英格蘭醫學雜志》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容，而是在三維空間內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雜的零件設計圖，然后打印出來。現在，這種應用已經十分普遍了。

        3D打印技術引發了美國人的熱議，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。

        體外醫療器械

        3D打印技術在醫學領域的應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打印機修復受損心臟、四肢、手指、神經的報道。

        3D打印技術的倡導者認為，這項技術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，“克隆”自己。

        去年六月的阿彭斯思想節上，醫療健康領域的創新技術引發了一番熱議。首先發言的是3DSystems公司的工業設計師斯科特·薩米特（ScottSummit）。

        3DSystems的創始人是3D技術發明家查爾斯·赫爾（CharlesHull），如今該公司已成長為全球領先的3D打印機和3D服務供應商。

        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會根據病患牙齒的恢復情況定期對牙套進行調整，直到病患的牙齒問題被徹底解決。

        如今，3DSystem正穩步進軍醫療市場。幾個月前，該公司和奧克蘭兒童醫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。

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

        斯科特·薩米特指出，現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，術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，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，該公司已經在22個女孩間進行了測試，他希望未來這種產品能得到更廣泛的應用。

        在阿彭斯思想節當天，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。現在，她是一家幫助癱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部也同樣管用。

        3DSystems將自己的技術提供給制作定制膝關節植入體的Conformis公司。今年早些時候，威爾士的一名外科醫生，利用該技術為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，醫療小組制作出了他整個面部的3D結構圖，然后打印出假體，并植入鮑爾的頭部臉上。

        最近，蒙特斐奧醫院的OrenTepper博士將3D打印的醫學應用提升到了新水平。

        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，經常性呼吸困難。通常來說，醫院可為這種患者進行頜骨重建，但這種骨移植手術風險太大，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，杰拉的下巴已經長得和普通孩子無異了。

        現在，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，復雜的重建手術風險會很大，失敗的幾率也大得多”。

        3D打印細胞和器官

        未來3D打印技術還會給醫療帶來更大飛躍。

        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已經十分困難，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可降解支架人類膀胱細胞。他培養的細胞呈袋狀，后來被成功植入7名膀胱功能較差的孩子體內。

        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域的新發現。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非常難，那就更別說將它們重建出來了。

        首先，研究人員將內皮細胞放在涂有凝膠混合膠原蛋白和其他蛋白質的塑料盤上，然后將塑料盤放在孵化器內。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。在這樣的環境條件下，內皮細胞能存活數周。但即便是最資深的研究人員，也無法控制內皮細胞自組膠原基質。

        結構對生物系統正常運行十分重要，鐮形細胞性貧血就是由單一的形狀改變基因突變引起。正常蛋白質的基因代碼稱為“球蛋白”，球蛋白幫助紅血球將氧氣輸送到人體組織中。當基因發生突變，球蛋白崩潰堵塞血管。

        直到現在，阿茲海默癥（老年癡呆癥）的研究人員也未發現腦細胞如何自發使淀粉樣蛋白質異常，從而引起老年癡呆癥的真相。神經元在培養皿中的表現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十億、不同類型的活細胞構成。

        生物學家希望都希望能解決這一問題，在塑料或環氧支架上培養不同類型的細胞。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，內部細胞也會因缺乏營養物質和氧氣而死亡。

        生物學家也許能培養出數十億腎細胞，并最終形成外形似腎的東西。但是如果沒有持續生長的血管來滋養整個腎器官，這腎臟仍形同虛設。

        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，戴無框眼鏡，是一位友好而有禮貌的人。盡管對3D打印組織、器官持謹慎態度，但她的研究也在向這一新技術領域偏移。

        今年2月，劉易斯和研究生大衛（DavidKolesky）發表了一篇論文，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的蛋白矩陣和活細胞類型。重要的是，他們設法為這些細胞組織建立了血管網絡，就像真正的血管一樣，這些血管網絡可以為細胞提供維持生命的營養。

        劉易斯指出，他們還沒有實現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品的關鍵材料。

        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打印技術是按體素構造材料的完美工具。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時，就會發生化學反應并修復潛在裂縫。

        劉易斯加入懷特的團隊后，研究人員開始意識到，這種新型材料應當有自己的微通道，方便愈合劑達到裂縫，就像體內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，路易斯開始開發普朗尼克（聚丙二醇與環氧乙烷的加聚物）“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絡的塑料物體。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絡的方法，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雜3D打印器官方法其中之一。布萊根婦女醫院和卡卡耐基梅隆大學的研究人員，正開發磁控制“微型機器人”，這種機器人將細胞儀預先安排的結構排列。

        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打印能給醫藥行業帶來革命性改變。

        生物學家認為，每年國家、企業花費巨額資金開發藥物，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