小时候,我们在《西游记》中会看到这样的景象:观音菩萨拿着蘸了玉净瓶甘露的杨柳枝,将露水洒向一个气息全无的人之后,这个人马上就会活过来。当时我们只会觉得观音是一个能够让人起死回生的神仙,却不知道为什么她会有那么大的神力。长大后,我们才明白,那仅仅是一个神话而已,人终究是要面对死亡的。

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3D生物打印技术 让起死回生不再遥远? 

死亡,对于大多数人来说通常是一个非常恐怖的话题,因为它是人们命运最终的结果,这是一件任何人最终都将要面对而又无法改变的一件事。那些看起来能够让人起死回生的“法力”似乎仅停留在故事里。

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但是,科技发展到今天,我们虽不能做到让死去的生命再次复活,但可以让垂危的生命得以延续。至少,3D生物打印技术就已经开始改变人类社会了。

第2页:一台打印机造一只耳朵?

●一台打印机造一只耳朵?

用一台打印机制造一只耳朵,这种只在电影中见到的场景如今已经发生在我们周围。2016年2月15日,来自美国北卡罗莱纳州维克森林大学再生医学研究所的科学家们称,他们已经创建了一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机,而这些通过3D打印机打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。这一成果已于当日发表在科学杂志《Nature Biotechnology》上。

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维克森林大学再生医学研究所3D打印的颚骨和耳软骨

论文称,与大多数3D打印机一样,科学家们此次研发的3D打印机的喷嘴依靠计算机控制,以一种非常精确的模式逐层挤出沉积材料。这些沉积材料最终会硬化,并生成任何想要的对象,不过,与其他3D打印机使用熔融的塑料或者金属材料不同的是,这款3D打印机挤出的主要是含有人体细胞的水凝胶。

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维克森林大学用来制造器官、组织和骨骼的组织和器官集成打印系统(ITOP)

实际上,该3D打印机拥有多个喷嘴,一些挤出水凝胶,还有一些则挤出可生物降解材料,用来给打印出来的组织提供结构和强度支持。当辅助材料溶解和组织在机器中完成孵化时,它就有可能植入人体。研究人员先对人耳、下颚骨、肌肉进行3D扫描,从而创建数字模板,然后打印出一块耳形的软骨、一块肌肉和一块下颌骨,并把它们植入小鼠体内。

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3D打印的肌肉

3D打印器官是目前生物3D打印界的终极目标之一,事实上,很早以前,研究人员就已经在实验室里培植人体器官,但是直到上世纪90年代,“3D生物打印”才突然引起人们的关注。

用机器制造活生生的器官,看上去不可思议的技术到底有多神秘?3D生物打印机是如何工作呢?

第3页:以生物墨水为原料的打印

●什么是3D生物打印?

所谓的3D生物打印,指的是一种以计算机三维模型为基础,通过软件分层离散和数控成型的方法,定位装配生物材料或活细胞,制造人工植入支架、组织器官和医疗辅助等生物医学产品的3D打印技术。

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3D生物打印机

3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题,因为在现有的医疗手段中,一个器官的获取要以另一个器官的丧失为前提,而主动失去器官的数量又远远少于需要的器官,例如,中国每年需要肝脏移植的末期肝病患者有100万左右,其中,只有3000到4000人接受了移植手术,而每年需要透析的12万例病人中,只有1/20可以找到肾源,愿意捐献器官的人数是少之又少。因此,研究者们开发了很多替代方案,使用动物来源的器官或者人工制造的器官胃病患者服务。3D生物打印机的出现,有可能解决这个方面的问题,从而延续病人的生命,提高他们的生活质量。

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3D生物打印机的原料为生物墨水

3D生物打印机的原料为生物墨水,研究者从人体骨髓或者脂肪中提取干细胞,通过生物化学手段,使它们分化成不同类型的其他细胞,然后,这些细胞将被封存成“墨粉”,当启动3D生物打印机时,“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上,打印器官的雏形便逐渐显现。

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俄罗斯3D Bioprinting Solution公司的FABION 3D生物打印机

3D生物打印机的开发其实还是基于现有的打印技术,这些技术曾被用于制造工业零部件,而3D生物打印机的不同之处在于,它使用了生物材料,可以复合细胞、生长因子等活性成分,从而逐层构件活体组织。世界上第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来,2010年被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

第4页:3D生物打印的技术原理

●3D生物打印的技术原理

3D生物打印技术目前还处于开发的初级阶段,通过电脑建模程序来设计需要打印的器官剖面图,从而精准指导随后的打印过程。研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取的干细胞,或不同的活性因子,通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印一层,就会提升一个层高的刻度,继而开始下一层图案的打印,从而逐渐实现人造组织的成型,跟普通3D打印在工业应用中的模型制造过程类似。

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3D生物打印技术的过程(图源:genetics.ac.cn)

3D生物打印机可以被置于生物安全柜中,可进行无菌操作,打印后的组织可以直接被植入患者体内,以被置于生物安全柜中,可进行各种无菌操作。打印后的组织可直接被植入患者体内,其中的细胞在生长因子的调控下,重新组合、分化,最终形成新的组织和器官。以皮肤打印过程为例,一般需要经过皮肤样品三维建模、形成脂肪原型、3D打印皮肤样品三个步骤才能完成。

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3D打印皮肤的步骤(简图)

从理论上讲,3D生物打印机可以使用CT等扫描技术,得到患者身体的各个部位精确图像数据,并在随后的短时间内打印出相应的组织,由于这些结构来源于病人的身体扫描,因此,打印后的植入物完全可以模拟原有的器官,顺利地进行替换,从而减轻了植入过程对患者的身体带来的负担。

第5页:3D生物打印能打印出什么?

●3D生物打印技术能干嘛?

现有的3D生物打印机的研究还处于早期阶段,但是发展前景为大家所期待。据澳大利亚Invetech和美国Organovo两家公司宣称,3D生物打印技术将在5年内实现对功能性大血管的打印,十年内实现心脏或者肝脏等器官的打印。由此可见,3D生物打印技术的成果可能会给医疗界带来一场革命。那么,3D生物打印技术给我们带来了哪些惊喜呢?

1.3D打印肾脏原型

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卡罗莱纳Wake Forest大学3D打印肾脏

美国被卡罗莱纳Wake Forest大学Anthony Atala等人使用复合细胞的水凝胶材料,逐层打印,构建出类似于肾脏的结构。从而制造骨骼、耳鼻、膀胱等人体器官,以达到为患者提供量身定做的器官替代品的目的。

2.3D打印人耳

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美国康奈尔大学工程师与医生们3D打印人工假耳

美国康奈尔大学工程师与医生们结合3D打印技术以及活性细胞制成的可注射胶造出了与人耳几乎完全一样的人工假耳,在外观与功能上与真耳相差无异,并且在3个月之内,这些耳朵即可长出软骨,替换掉其中用于定型的胶原。

3.3D打印肝脏

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苏格兰科学家利用人体细胞3D打印肝脏组织

苏格兰科学家率先研制出利用人体细胞打印人造肝脏组织的技术,研究人员研制出了基于瓣膜的细胞打印流程,可以生产特定的细胞种类,容量仅为2nL或每滴小于5个细胞。这一研究结果对医药行业意义非常重大,它能把人体对药物的反应模拟的更加逼真,有助于选出高效的药物。

不过这一技术面临着很大挑战就是,怎样保证研发出更容易操控和更精细的打印喷嘴,以有效保护细胞和组织的生存能力。随后,研究人员开发了基于瓣膜的双喷嘴打印机,用于打印高质量的细胞,包括打印首个用于组织再生的胚胎干细胞。

4.3D打印仿生组织

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3D打印具有人体细胞功能的仿生组织

英国牛津大学研究出最新3D打印技术,将水和液体分子连接在一起,形成了具有人体细胞功能的“液滴(仿生组织)”。每个液滴是直径约为50微米的透明空腔,这些打印出的“功能液滴”可用于人体组织,或者作为新方法为人体投递新药,相关研究发表在《科学》(Science)杂志上。 

第6页:全球首例3D生物打印机问世

●全球首例3D生物打印机问世

如今,在3D打印生物领域取得了大量的科研突破,这些突破将使得我们在未来数年内实现3D打印器官和组织的前景越来越清晰,从而最终取代人体器官移植的应用,让更多的病患者不再因为一时找不到合适的替代器官而痛苦。其实,3D生物打印离我们并不遥远,不仅在国外大放异彩,在国内也是摸得着看得见的。

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央视新闻频道报道的全球首台3D血管打印机(图源:央视《朝闻天下》截图)

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蓝光英诺全球首款生物血管3D打印机发布会现场

据央视2015年10月26日报道,我国863计划之一的3D打印血管已经获得重大突破,世界首创的3D生物血管打印机由四川蓝光英诺生物科技有限公司成功研制。据介绍,该款血管打印机性能先进,仅仅2分钟便打出10厘米长的血管。

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中国四川RevoTek 蓝光英诺3D生物打印机,2分钟可造出10厘米长的血管

与市面上现有的3D生物打印机不同的是,3D生物血管打印机可以打印出血管独有的中空结构、多层不同种类细胞。两者的根本区别在于活性,即3D生物打印是打印出含有细胞成分并具有生物活性的产品。蓝光英诺开发的这款3D生物打印机,两个喷头源源不断地喷出由“生物砖”组成的生物墨汁,打印出一根10厘米长的血管,仅需要2分钟。

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蓝光英诺开发的3D生物打印机全貌 

蓝光英诺首席科学家康裕建描述了血管打印的过程:首先是内皮细胞,最后是成纤维细胞,每一层用到的生物墨汁都不一样,富含的营养成分也不同,通过打印杆上一层特殊的冷凝材料、滋养每个细胞层的打印过程……当环境温度在0—4摄氏度之间时,就可以形成3D生物打印血管的雏形了;当周边环境逐步提升到常温,冷凝材料从已塑形的打印血管内剥落;打印血管也将置于营养液环境中,慢慢拥有活性,直到可以与其他器官、组织“自然结合”……

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3D生物血管打印的核心技术:生物砖(Biosynsphere)

3D生物血管打印的核心技术是生物砖(Biosynsphere),生物砖并不是砖块,也不是方方正正的形状,而是一种新型的、精准的、具有仿生功能的干细胞培养体系。它可以利用含种子细胞、生长因子和营养成分的“生物墨汁”,结合其他材料层层“打印”出具有生物活性的产品,再经过培育处理,形成具有生理功能的组织结构。

第7页:3D生物打印技术、审批困境

●3D生物打印的技术、审批困境

目前的3D生物打印技术除了能够打印部分人体器官之外,还能打印出血管组织,但我们依旧有很多疑问:打印出的这些器官组织具备生物活性吗?是否具有跟自然器官一样的功能?这些器官组织能否解决血管内皮化、血管堵塞等问题?

虽然打印人体器官在目前看来不是难事,但一个不可否认的事实就是:当3D打印的器官放置于人体以后,如何与人体真正的细胞相融合,而且如何发挥出真正器官的功效?到目前为止,在3D打印器官方面,出现了很多“半成功”的案例,我们之所以说“半成功”,是因为它们大多数都无法正常工作,或者仅仅只能存活几天时间,如何克服存活难题将是3D生物打印技术核心的问题之一。

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3D打印血管(图源:baidu)

国内相关领域的专家们认为,3D生物打印一般分为四个层次:第一个层次是用普通的工程材料,打印出体外的个性化模型,方便医生用于诊断、交流或者设计手术方案。第二个层次是用生物相容性良好、不可降解的材料,打印出可以移植到病人体内的植入器件,替代受损部位。第三个层次是用可降解材料,为组织再生打印出含有丰富空隙的支架,接种细胞以后,进行体外或者体内的培养,以实现缺陷组织的再生和修复。第四个层次,是用活生生的细胞进行三维打印,打印出模拟组织三维结构的细胞三维结构或类组织。

从第一层到第四层,技术重点逐渐从对外型结构的研究转向对细胞自身行为的研究,要让打印出来的细胞能够存活并建立自己的营养系统,至少需要一二十年的时间。而技术成熟之后,监管审批也有难关。我们都知道,药监部门批准的产品都用于批量生产,而生物3D打印做的是个性化产品,因此,对3D生物打印产品进行评估、审批是面临的一大难题。试想,不经过国家食品药品监督管理总局(CFDA)批准的3D打印器官组织,就算被成功打印出来,又有哪家医院敢用呢?

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国家食品药品监督管理总局(CFDA)

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监管审批是目前3D打印器官组织走向应用的一大难题

目前,国内外打印出的类组织,只是组织结构相似,不具备组织的功能,因为即使是看起来简单的组织,人工再造也面临着巨大挑战。就拿皮肤来说,看起来薄薄的一层,但其功能很多,除了保护身体功能之外,还有感觉、调温、出汗等功能,如果打印出来的皮肤不具备这些功能也是不行的。

从全球来看,生物3D打印的前景比较广阔,目前生物3D打印技术已经在主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚等领域得到应用。但是,人体是一个复杂的系统,无数细胞每天在以我们不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化,我们还没有解码细胞之间是如何传递的,尽管科学研究可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置,但是仍然没有人准确地知道如何“启动”种子细胞,现有的3D生物打印只是刚刚开了个头,未来3D生物打印技术的道路还有很长的一段路要走。

【中关村在线办公打印频道原创】

文章来源:互联网采集

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