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3D打印的醫學憧憬:自造人體器官

發布時間:2015-06-10 10:30 來源:每日經濟新聞 打印
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北京遠策藥業】有關統計數據顯示,我國每年150萬器官衰竭患者中,僅有一萬余人能得到器官移植,更多的人只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。如果3D打印能夠解決這項難題,無疑將成為最受市場關注的焦點。然而,生物信息處理、高精度打印機等是目前3D生物打印面臨的最大瓶頸,解決這一系列難題,尚需時日。
 
隨著近年來全球不斷掀起的“3D打印熱”,先行者們的好奇心已不滿足于打印一些玩具擺件、塑料杯子等常規物品,他們將目光投向了想象空間更為廣闊的生物醫學領域。
 
盡管3D打印在生物醫學市場前景廣闊,但生物數據處理、合適的生物材料、打印設備研發以及打印后的活體組織存活等四大技術性問題,是當前科研工作者面臨的“最難啃的骨頭”。
 
北京工業大學激光工程研究院教授陳繼民向《每日經濟新聞》記者表示,3D打印在生物醫學的應用是一個由遠到近的過程,“樂觀估計還需5~10年才能獲得突破。”
 
開啟“私人訂制”健康時代
中國工程院院士戴尅戎介紹了這樣一個案例:醫生通過提取一位患脂肪瘤女孩腿部的CT參數,將數據輸入3D打印機,并打印出女孩腿部的3D下肢骨骼的3D模型,最終幫助女孩雙腳直立。
 
從這項案例能一探3D打印在生物醫學領域應用的端倪,那么3D生物醫學打印的全貌是什么?注射用重組人干擾素遠策素
 
杭州電子科技大學教授徐銘恩對此解釋到,3D生物打印是以三維設計模型為基礎,通過軟件分離分層離散和數控成型的方法,用3D打印的方法成型生物材料,特別是細胞等材料。此項技術可用來制造人工的組織,人工的器官、各種假肢、手術導板等一系列材料。
 
簡言之,3D打印在臨床醫學的應用,一方面是通過患者病變部位掃描成像,利用3D打印機將二維圖像打印成3D模型,讓病人和醫生更為直觀地觀察與溝通,并根據模型反應的實際情況量身定做手術方案,保證手術精度;另一方面,通過3D模型,用特殊的生物“墨汁”打印活體細胞,在體外培育仿生器官及活體組織,再植入人體內。
 
戴尅戎告訴《每日經濟新聞》記者,“由于一般常規的假體都是標準型號,3D打印不僅能制定出最適合病人的手術方案,也能為病人安裝上最合適的假體。”
 
在個性化消費的浪潮中,個體化健康方案無疑是一個大趨勢。美國毒理研究院院士、藍光3D生物打印研究院院長康裕建認為,臨床醫學引入3D打印技術,開啟了“精準醫學”、“訂制健康”的時代。
 
盡管3D打印在生物醫學的應用屬于起步階段,但短短數年發展至今已有不少令人嘆為觀止的成果。除了義肢、假牙、骨骼支架等沒有生命特征的產品,科學家們已開始著手研究具有活性的人體細胞組織和器官,抑或在將來大面積填補器官移植的缺口。
 
陳繼民表示,3D打印在醫學領域的應用,是一個由遠到近的過程,“離人體越遠的,如義肢、骨骼關節,已經比較普及了。反之,離人體越近的應用,如組織修復和體內器官移植,樂觀估計還需5~10年才能獲得突破。”
 
尚存多項難題待解
3D生物醫學打印,吸引的不只是科學家及狂熱者,更博得了各路資本的青睞。據了解,國內一些公司如先臨三維、藍光發展和光韻達等,均先后開始涉足3D生物醫學打印這一藍海。市場研究機構LuxResearch預測,3D打印技術在醫療市場將于2025年達到19億美元的規模。
 
不過,業內人士認為,3D生物領域真正發展成為產業化還為時尚早。
 
康裕建認為,生物信息處理、生物墨汁研發、高精度打印機以及打印后處理是目前3D生物打印面臨的最大瓶頸。
 
在康裕建看來,在打印一個生物假體之前,要了解它的全部信息,并根據掌握的信息進行二維到三維的轉化。一些復雜的器官,如心臟、肝臟等,由于血管、細胞等組織分布密集,在沒有完全獲得此類臟器的信息打印出來的仿生品,發揮不出功效。注射用重組人白介素遠策欣
 
同時,打印所需的材料——“生物墨水”的研發難度仍較高。主要表現在細胞間如何作用,怎么排列,如何控制其所處的微環境。
 
除了上述提到的技術性難題,3D生物打印還面臨政策空擋和倫理問題。

加大投入基礎研究
雖然3D打印在生物醫學領域,的確能把許多不可能變成可能,但令人遺憾的是,國內外尚無有效手段破解前述提及的若干瓶頸。且人體組織的復雜性也讓3D生物醫學打印在短期內還無法進行大規模應用。
 
陳繼民表示,現有的醫學水平尚不能完全將人體器官分析透徹,“科研工作者應投入更多精力到基礎研究,掌握豐富的生物信息后,才能使3D打印更進一步發展。”
 
康裕建則建議,從事3D生物打印的公司應建立相關的IT部門,專注于對生物信息、數據的采集、分析和轉化。
 
據了解,目前3D生物醫學打印的工作原理為分層堆疊,液態材料、粉末材料、金屬材料通過噴嘴噴出后再層層固化,最后形成三維物體。
 
另外,器官打印的過程原則上會對生物細胞的活性造成一定的損傷,這需要通過一些特殊的設計和處理,才能保存其較高的活性。并且,控制好細胞所處的微環境,需要足夠的細胞培養液予以供給。陳繼民指出,“要想達到快速成型又保持活性,以現有的生物材料而言,解決這一難題還需要時間。”
 
對于打印后的活體處理問題,陳繼民認為,現在雖然能實現仿生器官表面的細胞具有一定活性,但如何進入具有一定厚度的器官內部,并將營養輸送進去,使其從死體變成活體,則是目前科研工作者攻克的方向,“目前研究人員已經在嘗試將密密麻麻的毛細血管打印出來并分布到器官的各個角落。
 
值得一提的是,徐銘恩及其團隊已成功通過3D生物打印技術打印出人類肝臟單元、脂肪組織等。打印出的細胞存活率達90%,能夠存活四個月。
 
活體器官打?。嚎瓷先ズ苊?/strong>
“在未來,人們根本不用擔心會因器官病變而死于非命,亦無需等待遙遙無期的捐贈者,只需支付一筆費用,就能獲得一個功能與外表兼顧的人造器官回歸正常生活。”——這是好萊塢經典電影《重生男人》中的劇情。
 
據統計,我國每年大約有150萬器官衰竭患者,有30萬適合器官移植方式治療,但是,卻僅有1萬余人能得到器官移植的救治,有限的活體器官來源滿足不了患者需求。
 
隨著被稱為“人類另一個登月計劃”的3D生物打印技術的出現,或許能填補這一空白,也可以令電影中的情形在現實中得以實現。這一天馬行空的想法是用“生物墨汁”通過3D打印機,打印出1:1的仿生器官模型,再通過體外培育細胞組織為模型注入“生機”,最后再植入人體內替代病變的器官,實現器官移植。
 
不過,多位業內專家表示,該技術目前還處于起步階段,如何實現從觀賞性到功能性的改變,還需要打印材料、器官精確數據等多個方面的技術性突破。
 
活體器官稀缺
目前我國人體器官市場的供求比為1:100。單以腎移植手術為例,每年進行移植的患者為3000人,而需求者高達30萬。大多數患者只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。
 
在此背景下,3D活體器官打印成為了科研工作者眼中的“香餑餑”。
 
資料顯示,3D生物打印技術在2003年實現了單一細胞打印,6年后實現了多細胞打印,并且業內普遍認為到2020年打印活體器官的目標也將達成。
 
中國工程院院士戴尅戎介紹,目前已有不少專家在進行活體器官打印的研發。
 
四川藍光英諾生物科技股份有限公司近期表示,公司將于下半年推出一款3D生物打印機,目標是打印人體組織片和血管。
 
從單細胞到多細胞,再到構建復雜的器官組織,器官打印的研發似乎已離成功僅有一步之遙了。
 
活體器官尚未“激活”
盡管3D醫學打印備受資本追捧,但部分國內相關上市公司并不打算進入純粹的生物3D打印技術領域。
 
深圳光韻達科技有限公司董事長侯若洪向《每日經濟新聞》記者坦言,“我們目前做的是工業制造和醫學手術,沒有涉及生物打印領域。我認為現在3D打印生物上的應用大部分還停留在高校和實驗室里。”
 
資料顯示,一個成功的再造器官至少由數十億不同類型的活細胞構成,如何在實驗室條件維持細胞的結構形態、為器官提供營養、連接血管網絡仍是待解的難題。
 
美國Drexel大學教授JackZhou曾公開表示,運用3D打印技術制成的物體要植入人體,必須經過大量細胞培養和試驗,來確保其能夠在人體存活。但人體組織之復雜,遠非現在的技術能夠駕馭。
 
此外,面世的生物材料僅有30多種,數量有限。這些材料會否對人體組織發生反應,產生副作用,也需要長期的臨床觀察。
 
北京工業大學激光工程研究院教授陳繼民表示,3D打印器官目前還只停留在模型上,如何賦予它“生命”,是實現活體器官移植最艱巨的任務。

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