3D打印引发“医疗革命”想象 广泛应用需15到20年

3D打印技术时下俨然成为生物医学领域的“新宠”。骨骼打印在我国多家医院进入临床试验阶段,杭州一台生物3D打印机在实验室里打印出了血管、脂肪、肝组织。未来的某天,它是否能按需打印出替代品更换被癌细胞侵占的病变器官,或者是不断跳动的心脏?在乐

32岁的陕西汉中小伙子李韬经历了一次特殊的手术。在西安交大第一附属医院的手术室里,医生小心翼翼地将一块头骨“骨骼”植入他的头部。与往常的颅骨修补术不同,这块“骨骼”是用3D打印机为李韬量“骨”定制的。


3D打印的“迷你肾”。

生物3D打印机“R egenovo”,它的作品有骨骼、血管、脂肪和肝组织等。



量骨定做


3D打印的思想起源于19世纪末的美国,20世纪80年代以来得以发展。在中国,3D打印研究已有约20年,这种通过电脑控制,可以把“打印材料”一层层叠加起来的技术在近两年开始流行。


在今年5月末举办的世界3D打印技术产业大会上,研究人员分享了3D打印的各种产品,服装、鞋子、首饰,甚至还有点心、肉类。荷兰一位工程师还计划用巨型的三维打印机来打印房子。


最初,3D打印在生物医学领域被用于制作医疗模型,术前将体内病变的骨骼或器官打印出来,供医生和患者沟通或制定手术方案。现在它的成品已经成功进入人体。


8月17日,西安交通大学第一附属医院完成一例颅骨修补手术,所使用的植入物正是用高分子生物材料通过3D打印技术打印出来的。32岁的陕西汉中小伙子李韬成为第一个吃螃蟹的病人。


2010年底,李韬骑摩托在村公路上行驶时摔进2米多深沟,县医院立即实施手术将破碎的颅骨取出,并嘱咐半年后做颅骨修补手术。“因为颅骨缺损,身体倾斜时,脑组织会从颅骨缺口处凸出来”,李韬说。


手术的主刀医师之一、西安交大一附院神经外科主任王茂德教授介绍说,以往的颅骨修补手术通常采用金属钛,而这次使用的是一种叫做聚醚醚酮(PEEK )的医用高分子生物材料。


“新材料对比传统钛网的优势在于,术后的影像检查中不会出现伪影,利于后续病情的诊断。利用3D打印技术制造出的颅骨修补材料完全符合患者生理解剖曲率,真正做到‘量身定制’”,王茂德说。因国外进口原材料昂贵,定制这样一块“骨骼”需要8万-10万元人民币。


术后李韬感觉头部偶尔会突然疼一下,但并不强烈,他“不太担心,下个月要回去做检查”。目前,西安交大一附院已为4位与李韬类似的患者植入了3D打印的生物材料“颅骨”,北京大学第三医院也通过媒体发布,至今年6月已经为40多名患者植入3D打印的“骨骼”。


西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室主任李涤尘教授,是国内最早研究生物组织3D打印的科研人员之一。他告诉记者,3D打印骨骼的材料还在不断研究之中。如生物陶瓷材料,经过一两年时间,可以在人体内慢慢降解,转成活性的骨组织,但它比较脆,力学性能不够好,放到动物体内做实验时容易破裂。而且“如果细胞长不进打印骨骼,它还是活不了。”


李涤尘认为这些难题都有解决的可能。“用复合材料解决脆的难题,如镁合金或高分子材料,和陶瓷混合在一起,然后做成支架,这样性能会好一些。把陶瓷材料多孔结构做出来,可以让细胞往里头长。”他说,如今将陶瓷和金属复合用到临床上做一小块填补比较容易,难度在于做十几厘米长的大段骨。


细胞打印


把细胞和基质材料,比如胶原,混合在一起,然后挤塑、堆积,进行细胞打印,这是3D打印在骨组织外,另一个更具难度的研究方向。


“在目前的技术水平下,生物3D打印最成熟的是人造骨的打印,国内尚处于临床试验研究阶段”,浙江大学细胞生物学研究所所长李继承教授介绍,国外对于复杂器官如人工耳、人工肾的打印,均处于模型与实验室阶段,尚无临床应用。国内能够打印脂肪、肝小叶等正常组织,但也处于实验室阶段。


在今年5月末举办的世界3D打印技术产业大会上,杭州电子科技大学生物制造工程研究中心主任徐铭恩教授展示了一个刚刚打印出来的肝单元结构。


3个月后,徐铭恩团队首次向外界展示了一台名为“Regenovo”的生物3D打印机,这台完全面向医学领域需求制造的打印机支持活细胞打印,对外公布的细胞存活率是90%,全无菌打印设计,并支持从-5℃到260℃熔融的生物材料打印。


“R egenovo”上半部看起来像一台缝纫机,下半部是一个方形的“盒子”。工作时,“缝纫机”上一根细细的类似缝衣针的喷头,在下半部的盒子里,前后左右移动,将含有活细胞的水凝胶一层一层堆叠成电脑为它设定的立体形状,骨骼、血管、脂肪和肝组织都曾是它的作品。


徐铭恩介绍,在目前的实验中,打印出的肝单元可以检测到其具有解毒、代谢以及部分的分泌功能,但还没有检测到分泌胆汁的功能。而一些成骨的实验则在小白鼠身上取得了成功。此外,打印的肝单元、脂肪和肿瘤等组织,在体外药物筛选和临床前试验中显示了良好的应用前景。


然而,这台设备离打印出能够植入人体的器官还很远。徐铭恩说,“R egenovo”打印出的肝单元比人体正常的大5倍左右,精度仍需提高。


李涤尘估计,3D打印肝如想移植进人体,还需要十多年的努力,“难度很大,问题很多,比如做出来的肝组织黏糊糊像果冻一样,没有力学性能,放到体内可能一挤就变形了,另外细胞在体内,有基质材料可以给它提供营养,能活三五天,但如果血管不能长入,细胞没有营养供给,还是要凋亡。最大难点在于细胞怎样与人体的循环系统建立关系。”


李涤尘介绍,细胞打印目前在国外最适合做的就是药品实验、病理实验,比如在体外模拟培养一个肝组织,检测不同药物与它的作用关系。


走向临床


作为时下国内最热门的科技概念之一,可以快速准确定制复杂形状实体的3D打印技术,在生物领域引发了“医疗革命”的热情想象,徐铭恩教授却不无担忧,“我们所做的这些研究,带给公众希望,但也希望大家能科学理性对待。我们期待这项技术的发展能够稳步前进,而不是在大起后大落”。


3D打印在生物医疗领域应用的研究者们不断提醒,3D打印快速、小批量,个性化定制上比传统有优势,但大规模生产成本高,速度慢,在从定制化产品走向大规模临床应用,尚存在各种障碍。


从事3D打印研究近20年的李涤尘认为:“3D打印特别适合生物医疗,国外的发展数据显示它有非常好的前景,也是将来医疗器械发展的方向。国内3D打印技术应该在培养人才和鼓励应用上得到大力扶持。”


李涤尘介绍,早在2001年,我国就成功完成了国际上第一例将3D打印技术用于颌面的修复,起步是比较早的,但目前国外定制化研究慢慢走入临床,而我国现有的监管制度使得3D打印技术在生物医疗领域走向应用面临很多困难。


“与过去的批量制造产品不同,3D打印技术生产的是定制化产品。过去批量生产的时候,批号申请下来,就可以大量生产,但这种审批制度并不适用于3D打印定制化产品的生产”,李涤尘表示,“这并非不可操作,监管部门可以评估生产系统,如果设计、生产流程等都是合理,材料是获得批准的,材料的成分没变、生物性能没变,只是形状改变了,按道理这就可以生产,作为政府部门应该积极应对新技术带来的生产模式的变革”。


浙江大学细胞生物学研究所所长李继承认为,政府目前暂时缺少针对性的扶植政策,生物3D打印肿瘤组织,可能在不久的将来,为药物筛选和基因治疗提供新的载体和研究途径,而血管的打印可能成为下一个成功应用案例。


阻碍3D打印技术在医疗一线广泛应用的另一个因素关乎成本。李涤尘介绍,目前市场上的3D打印设备,类型和功能不同,价格从20万到600万元不等,总体来说比较昂贵,多作为科研设备使用。目前许多大医院在引进,但是应用于临床,还需要不断降低设备和原材料成本。


李继承则提醒,生物3D打印未来的发展和应用,除了面临一系列的技术问题,如器官细胞存活率、移植后机体免疫排斥等,相对于工业3D打印,它将来可能还要考虑伦理学问题。

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