3D打印医疗技术 掀起新医学产业革命

2015-10-02 00:38:48

3D打印

导语:《纽约客》杂志网络版今天发表了一篇题为《3D打印如何带来医疗新革命(How 3-D printing is revolutionizing medicine)》的文章。文章对什么是3D打印、3D打印在医学领域的新应用(包括3D打印假肢、植入体、细胞、器官)、技术挑战、前景进行了详细的说明。

全文如下:

治疗罕见疾病患儿

2012年2月,密歇根大学附属C.S.莫特儿童医院的医疗队,组织进行了一次不寻常的手术。手术对象是一名出生刚三个月,患有罕见先天“气管支气管软化”疾病的男婴。

这个男婴的部分气管组织脆弱无比,很小的一件事例如换个尿布都会让他的气管崩溃。这时候,他会呼吸困难,并引起附近血管(包括主动脉)阻塞,从而引发心肺骤停。

在莫特儿童医院里的男婴一直戴着呼吸器,他脆弱的气管组织需要被修复或替换,但手术风险太大,更何况对象还是这么小的一个孩子。

医疗队联系了这个男婴在阿克伦儿童医院的主治医生,然后很快做出了用3D打印气管换掉故障气管的决定。

密歇根大学医疗队层处理过类似的病例,但这一次他们面临更严峻的挑战。

医疗队的研究人员先用CT扫描了男婴的胸腔部位,然后制作出该部位的三维图像模型。基于这模型,医疗队制作和打印出了一块小“夹板”,用来加固男婴脆弱的气管,同时保持气管畅通。

这“夹板”坚固且柔软,能够随着男婴的成长而变大。研究人员称,“夹板”要在男婴胸腔内呆三年,直到破损的气管痊愈。因为“夹板”使用一种对人体无害的可溶性材料制成,男婴的气管痊愈后,“夹板”便会在其体内溶解掉。

将“夹板”植入男婴体内的三周后,戴着呼吸器的男婴被送回了家中。2013年5月,据《新英格兰医学杂志》报道,男婴已在如常人般长大。

什么是3D打印

顾名思义,3D打印机不是用油墨在平坦的纸张上打印内容,而是在三维空间内逐层打印出立体的东西,塑料、金属等可粘合材料是3D打印机的“油墨”。

上世纪80年代,世界上首款3D打印机诞生,发明者是美国工程师查尔斯·赫尔(Charles Hull),该打印机使用的“油墨”是暴露在空气中便会凝为固体的丙烯酸溶液。

3D打印机诞生后,汽车、飞机制造商便可在计算机上画出复杂的零件设计图,然后打印出来。现在,这种应用已经十分普遍了。

随着技术的进步,3D打印机变得廉价和无处不在。Staples和亚马逊都提供3D打印服务,螺母、螺栓、耳机、眼镜、运动鞋、珠宝、骨灰盒,甚至是“星球大战”模型、建筑物模型及整栋房屋,都能通过3D打印机被制作出来。

3D打印技术引发了美国人的热议,其中一项争论的焦点是,是否该允许公民用3D打打印机打印枪械。

现在3D打印机可使用的打印材料包括塑料、金、银、其它金属、陶瓷、蜡等。有兴趣的人只要支付一小笔费用,就能3D打印出自己的头像玩偶。

体外医疗器械

3D打印技术在医学领域的应用正变得越来越普遍。

几乎每一天,我们都会在杂志、报刊上看到利用3D打印机修复受损心脏、四肢、手指、神经的报道。

3D打印技术的倡导者认为,这项技术能让人类享受更多民主,因为可打印的东西越来越个人和私密。不管你相信与否,我们正在用3D打印技术,“克隆”自己。

去年六月的阿彭斯思想节上,医疗健康领域的创新技术引发了一番热议。首先发言的是3D Systems公司的工业设计师斯科特·萨米特(Scott Summit)。

3D Systems的创始人是3D技术发明家查尔斯·赫尔(Charles Hull),如今该公司已成长为全球领先的3D打印机和3D服务供应商。

3D System的3D打印金属矫正牙套Invisalign颇受欢迎。Invisalign牙套使用透明材料制成,为病患量身定做。3D System会根据病患牙齿的恢复情况定期对牙套进行调整,直到病患的牙齿问题被彻底解决。

如今,3D System正稳步进军医疗市场。几个月前,该公司和奥克兰儿童医院的研究人员进行了一项测试,用3D打印机打印出“脊椎”,以便帮助那些在成长过程中脊椎弯曲的年轻人。

不过要想修复弯曲的脊椎,佩戴者必须无时无刻不佩戴着3D System的产品,多数孩子似乎不愿承受这“痛楚”。

斯科特·萨米特指出,现在的青少年不爱外出和运动,他们更愿意在电脑前呆一整天,这对成长中的脊椎非常不利。但他同时也表示,对孩子们不愿意戴着3D打印脊椎的心情可以理解。他说:“几年前我做过脊柱手术,术后几个月我一直使用类似的支架,那东西很不舒服”。

但斯科特·萨米特强调,3D System的3D打印脊椎由精细研磨的尼龙粉末制成,既轻便又透气,加上是为佩戴者量身定制,就像穿衣服一样不会有任何不舒服的感觉。

斯科特·萨米特表示,该公司已经在22个女孩间进行了测试,他希望未来这种产品能得到更广泛的应用。

在阿彭斯思想节当天,斯科特·萨米特还将46岁的阿曼达带上了舞台。1992年的一场滑雪事故让阿曼达失去了她的双腿。现在,她是一家帮助瘫痪人士的基金会的主管。

2013年,3D Systems的研究人员找上了阿曼达。研究人员先用仪器扫描了她的下半身,然后用柔软的尼龙纤维打印出残缺的躯干、小腿和大腿。随后,研究人员将3D打印四肢装到了Ekso Bionics公司的电动护腿上。就这样,一套定制的人类“下半身”诞生了。阿曼达穿上了它,并开始练习慢慢行走。

3D打印植入体

在此之前,3D打印技术多被用来打印假肢。但最近,越来越多的例子证明,3D打印物体被用在人体内部也同样管用。

3D Systems将自己的技术提供给制作定制膝关节植入体的Conformis公司。今年早些时候,威尔士的一名外科医生,利用该技术为29岁男子史蒂芬·鲍尔重塑了面部骨骼。

鲍尔在一起摩托车事故中伤及头骨,左脸颊、眼窝、上颚多部位脱落。通过扫描鲍尔“幸存”的骨骼,医疗小组制作出了他整个面部的3D结构图,然后打印出假体,并植入鲍尔的头部脸上。

最近,蒙特斐奥医院的Oren Tepper博士将3D打印的医学应用提升到了新水平。

2012年,Oren Tepper博士接手了一个名叫杰拉的女婴。这个女婴先天下巴残缺,经常性呼吸困难。通常来说,医院可为这种患者进行颌骨重建,但这种骨移植手术风险太大,以杰拉当时的年龄并不适合。

3D打印2

Oren Tepper博士为杰拉做了头部扫描,用3D打印机打印出理想的下颚模型。Oren Tepper博士打算改变杰拉的下颚形状,使其与模型匹配。

然后,Oren Tepper博士打印出适合杰拉下巴的三维模具。模具上有狭缝和空洞,让他能在不损害杰拉面部神经的前提下植入东西。最后,他给杰拉的下巴装了个棘轮。

每天,Oren Tepper博士会将杰拉的下巴向前“拖拽”一毫米,以促进其骨细胞生长。几周后,杰拉的下巴已经长得和普通孩子无异了。

现在,Oren Tepper博士每年都要治疗两至三个有类似残疾的孩子。

Oren Tepper博士说:“如果没有3D打印技术,复杂的重建手术风险会很大,失败的几率也大得多”。

3D打印细胞和器官

未来3D打印技术还会给医疗带来更大飞跃。

多年来,研究人员一直致力于再造肾脏、肝脏、器官、躯体。但在实验室里进行细胞组织培养已经十分困难,而3D打印让我们看见了新的希望。

上世纪90年代,维克森林再生研究所所长安东尼·阿达拉(Anthony Atala),开始在实验室里培养可降解支架人类膀胱细胞。他培养的细胞呈袋状,后来被成功植入7名膀胱功能较差的孩子体内。

安东尼·阿达拉的这一成就引起了轩然大波,被认为是再造人体器官史上首次真正的胜利。在他之前,科学家也许能用3D技术打印出聚合物支架上的气管细胞、心肌细胞、肾细胞,但始终未能使其成长为成熟器官。

当越来越多的科学家努力在实验室里再造人体器官,问题的关键已不再是他们能否成功,而是如何成功。

世界上首款显微镜诞生于16世纪,和望远镜差不多的时间。望远镜和显微镜带来宏观和微观领域的新发现。然而让天文学家从三维角度理解宇宙很容易,让细胞学家从三维角度理解微观世界却很难。

长久以来,人类对微观世界的理解一直停留在二维水平。其中一个主要原因是,显微镜下的标本必须被放在薄玻璃片上。如果说让生物学家从三维立体角度理解组织和器官已经非常难,那就更别说将它们重建出来了。

例如,生物学家会在实验室里研究排列在人类静脉、动脉和毛细血管内的内皮细胞。一旦这些细胞被排出体外,就会迅速死亡。实验室里必须有特殊的设备,才能维持内皮细胞的存活和生长。

首先,研究人员将内皮细胞放在涂有凝胶混合胶原蛋白和其他蛋白质的塑料盘上,然后将塑料盘放在孵化器内。孵化器需要维持一定温度,还得输入适量的氮、二氧化碳和水蒸气。在这样的环境条件下,内皮细胞能存活数周。但即便是最资深的研究人员,也无法控制内皮细胞自组胶原基质。

结构对生物系统正常运行十分重要,镰形细胞性贫血就是由单一的形状改变基因突变引起。正常蛋白质的基因代码称为“球蛋白”,球蛋白帮助红血球将氧气输送到人体组织中。当基因发生突变,球蛋白崩溃堵塞血管。

直到现在,阿兹海默症(老年痴呆症)的研究人员也未发现脑细胞如何自发使淀粉样蛋白质异常,从而引起老年痴呆症的真相。神经元在培养皿中的表现和在人类大脑中完全不同。

莱斯大学的生物工程师 乔丹·米勒(Jordan Miller)指出,成功的再造器官至少由数十亿、不同类型的活细胞构成。

生物学家希望都希望能解决这一问题,在塑料或环氧支架上培养不同类型的细胞。然而这种前仆后继的尝试却鲜有成功,就算外部细胞能不断增殖,内部细胞也会因缺乏营养物质和氧气而死亡。

生物学家也许能培养出数十亿肾细胞,并最终形成外形似肾的东西。但是如果没有持续生长的血管来滋养整个肾器官,这肾脏仍形同虚设。

新型3D打印细胞材料

哈佛材料学家珍妮佛·刘易斯(Jennifer Lewis)称:“之前我看TED演讲,有个人说他们成功打印出了肾脏,然后展示了一个外形似肾脏的东西。我觉得这番话很有误导性,形状像肾不一定就是肾,科学家不该给人错误的期望”。

今年50岁的刘易斯留着短发,戴无框眼镜,是一位友好而有礼貌的人。尽管对3D打印组织、器官持谨慎态度,但她的研究也在向这一新技术领域偏移。

今年2月,刘易斯和研究生大卫(David Kolesky)发表了一篇论文,论文描述了一种用先进材料保证打印出的细胞能大量增殖的新方法。

在论文中他们提到,通过专门的3D打印机,他们能打印出类似人体内的蛋白矩阵和活细胞类型。重要的是,他们设法为这些细胞组织建立了血管网络,就像真正的血管一样,这些血管网络可以为细胞提供维持生命的营养。

刘易斯指出,他们还没有实现3D打印器官,但却是迈进了一大步。她说:“我们称这为3D生物打印,是生物历史上的重要一步”。

刘易斯生长于伊利诺斯帕拉蒂尼,毕业于伊利诺斯大学香槟分校。大一的时候刘易斯被招募到一个陶瓷工程项目小组,她一直是该项目小组的成员,直到获得麻省理工陶瓷科学博士学会。刘易斯喜欢陶瓷的特殊属性,陶瓷是很多高科技电子产品的关键材料。

1990年,刘易斯回到香槟分校任教,并开始从事3D打印的研究。她认为,3D打印技术是按体素构造材料的完美工具。她说:“三十年前如果你想3D打印某个东西,会用紫外线固化树脂或热塑性塑料,做出来的基本上就是原型或模具,这不是我想要的”。

3D打印3

2001年,刘易斯开始与材料工程师斯科特·怀特(Scott White)合作。

在此之前,怀特和同事南茜用3D打印机创建出一种充满微胶囊的新材料,新材料的微胶囊里充满特殊的愈合剂,当材料受到磨损时,微胶囊就会打开并释放愈合剂量。微胶囊中的愈合及是单体,当被释放及遇到材料中的其它化学物质时,就会发生化学反应并修复潜在裂缝。

刘易斯加入怀特的团队后,研究人员开始意识到,这种新型材料应当有自己的微通道,方便愈合剂达到裂缝,就像体内的凝血蛋白和血小板通过毛细血管到达和治愈伤口那样。

最初,他们用加热时会融化的蜡基“油墨”作为打印材料。2011,路易斯开始开发普朗尼克(聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物)“油墨”。普朗尼克在室温下是凝胶状,但在冷却至略高于冰点时,就会变成液体。

刘易斯和怀特用3D打印机打印出了嵌入普朗尼克网络的塑料物体。该物体被冷却后,液化的普朗尼可被吸出,留下一条“通道”。

刘易斯认为,这种材料给他们提供了在3D打印器官中嵌入微血管网络的方法,具有广泛的影响和意义。

事实上,刘易斯的方法只是诸多打造复杂3D打印器官方法其中之一。布莱根妇女医院和卡卡耐基梅隆大学的研究人员,正开发磁控制“微型机器人”,这种机器人将细胞仪预先安排的结构排列。

波士顿大学、莱斯大学、麻省理工大学的研究团队,正在研究用糖基“油墨”制作3D血管。其中一名研究人员对刘易斯的工作赞不绝口,称刘易斯是“世界级的佼佼者”。

革命性改变

研究人员对自己的工作充满热情,相信3D打印能给医药行业带来革命性改变。

生物学家认为,每年国家、企业花费巨额资金开发药物,其中不少都打了水漂。如果3D打印组织成为可能,那么医院就能在病患服用药物、接受治疗前进行测试,观察有没有什么副作用之类。

当然,研究人员也知道,3D打印器官需要解决的问题还有很多。就像刘易斯说的:“3D打印器官是人类另一个登月项目,很难,但绝对值得一试”。

推荐阅读+更多
热点产品+更多