3D打印器官離我們還有多遠(yuǎn)？

3D打印出的耳朵組織

　　每年有數(shù)以萬計的病患在等待合適的器官移植，設(shè)想一下，如果我們能夠根據(jù)需要“打印”人體器官，病人就可以免去漫長的等待時間。3D打印技術(shù)面世三十年來，與人們的生活越來越緊密，如今，我們不僅能用塑料作為“墨水”打印零件，金屬、陶瓷甚至人體細(xì)胞都可被注入“墨盒”進(jìn)行操作。近日，《自然生物科技》雜志介紹了一種生物打印機，并證明通過3D打印出來的耳朵組織，被移植到小鼠體內(nèi)后能像正常組織一樣存活并生長。這是有史以來第一次3D打印技術(shù)被證實有望替代人體器官。

　　文/廣州日報記者

　　郭原毓

　　gettyimages供圖

　　用細(xì)胞當(dāng)“墨水”的生物打印機

　　雖然“3D打印”不再像剛出現(xiàn)時那么吸引眼球，但這個新興領(lǐng)域時常有好消息傳來。2014年，人們“打印”出軟骨組織；2015年，又成功“打印”出供醫(yī)學(xué)研究用的腎臟組織。然而，囿于規(guī)模、結(jié)構(gòu)和細(xì)胞存活時間方面的限制，大部分這樣的打印產(chǎn)物只存在于實驗室中，不能真正作為可用的器官進(jìn)行移植。

　　不過幾天前，美國維克森林大學(xué)的研究團(tuán)隊在《自然生物科技》雜志上發(fā)表論文稱，他們把通過3D打印出的“耳朵”移植到小鼠體內(nèi)，兩個月后，植入的耳朵保持了形狀，而且還生成了適當(dāng)?shù)能浌墙M織。也就是說，這些從打印機里誕生的組織能夠在生物體內(nèi)正常存活并生長。進(jìn)一步設(shè)想，如果這項技術(shù)能用在人體上，那醫(yī)生就能直接用病人自己的細(xì)胞，打印出替代性的人體組織或器官，這將是再生學(xué)領(lǐng)域的一大跳躍進(jìn)步。

　　這種“生物打印機”工作原理跟普通3D打印機一樣，也是根據(jù)模型圖紙一層層“堆”出設(shè)計好的形狀，但由于細(xì)胞不像塑料那么穩(wěn)固，如果僅僅是堆起來而不加約束，細(xì)胞很容易散開。因此在生物打印過程中，整個結(jié)構(gòu)會被加上一層臨時的聚己內(nèi)酯化合物，它可以發(fā)揮支架的作用，確保移植中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。一旦移植完成，這層材料會逐漸降解且不產(chǎn)生毒性。同時，細(xì)胞會分泌出一種支持性的基質(zhì)，維護(hù)植入物的形狀。最終，細(xì)胞自行重組，不再需要支持性材料。

　　為了測試打印效果，研究團(tuán)隊將3D打印的“耳朵”植入了小白鼠皮下，兩個月后，植入的耳朵不僅保持形狀，還生成了適當(dāng)?shù)能浌墙M織。而另一部分打印并移植的肌肉組織，僅用了兩周時間，就在小白鼠體內(nèi)引起神經(jīng)形成。這實在是振奮人心的結(jié)果，對于失去耳朵的患者來說，如果可以用自己的細(xì)胞打印個真實的耳朵，不僅舒適度要比仿生耳朵好得多，也不會有排異反應(yīng)。

　　專家解惑：

　　打印3D器官

　誤差風(fēng)險依然存在

　　北京工業(yè)大學(xué)激光工程學(xué)院陳繼民教授表示，目前的醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用到3D打印技術(shù)的僅僅是“皮毛”?！俺擞糜谛g(shù)前指導(dǎo)，比較常見的還有在骨折治療中訂制個性化鋼板。但這并不能起到避免排異的效果，只能讓鋼板形狀更匹配，更便于固定。人體組織、器官的3D打印技術(shù)應(yīng)用，還在基礎(chǔ)研究階段?！?br />
　　陳繼民指出，3D打印器官，就算細(xì)胞外面用聚己內(nèi)酯化合物裹起來做支撐固定，但還是無法保證將3D打印器官放置人體后，它能長時間緊緊黏合在一起。再加上，人體真正的器官是非常復(fù)雜的，打印出來的細(xì)胞盡管能夠融合在一起，但并不意味著它們就能發(fā)揮功效。

　　此外，陳教授提醒說，目前還沒有哪一種軟件強大到可以建立非常詳細(xì)的器官模型，以供研究人員打印3D器官前做參考，這其中的誤差和風(fēng)險也是需要考慮的。


　人體系統(tǒng)很復(fù)雜 3D器官有局限

　　人體器官打印面臨的另一個問題是，如何在這些組織的內(nèi)部設(shè)計“空腔”——聚己內(nèi)酯固然可以使得細(xì)胞有序地堆疊在一起，但如果沒有內(nèi)部的空腔，這些細(xì)胞便活不了多久。

　　在正常組織中，血管會交織在器官內(nèi)部輸送養(yǎng)分，可許多打印出來的組織缺乏血管，移植后難以長期存活，自然不能撐到與移植受體“融為一體”。因此，給3D打印的組織留出供血管穿過的空間是極為重要的。

　　美國維克森林大學(xué)的團(tuán)隊利用水凝膠解決了這一問題——這些水凝膠結(jié)構(gòu)能夠以固體的形態(tài)作為支架的作用，當(dāng)細(xì)胞形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，它們就會被降解代謝，原先它們存在的位置，就成了可供血管伸展和發(fā)育的“空腔”。利用這一思路，原本因營養(yǎng)物質(zhì)輸送問題而受限的打印組織大小問題也得以克服了。

　　即使如此，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長周功耀對打印器官仍持謹(jǐn)慎態(tài)度，他告訴記者，3D打印的部分器官在已知科學(xué)范疇內(nèi)沒有問題，但生物技術(shù)領(lǐng)域還有很多人類沒能掌握、沒有探究到的信息。即使人工器官在體外功能正常，一旦植入體內(nèi)，是否能運作、是否產(chǎn)生毒素，以及有哪些副作用目前都不得而知。

　　“人體系統(tǒng)非常復(fù)雜，萬不得已，不能用有限技術(shù)制成的器官去對接無限復(fù)雜的人體系統(tǒng)。生命是第一大事，這也是3D生物打印發(fā)展的第一大困難。目前3D打印耳朵、膀胱和心臟等都只存在實驗室里，在植入人體前還要做大量實驗、積累并分析大量數(shù)據(jù)，繼續(xù)不斷改進(jìn)，要做的事情還有很多?！敝芄σf，“但3D生物打印的一些前瞻性研究和個體實例出現(xiàn)是好事，將最終促成技術(shù)和產(chǎn)品的成熟?！?br />
　　3D打印之父PK醫(yī)學(xué)專家

　　3D器官是高端消費？

　　到目前為止，在3D打印器官方面，出現(xiàn)了很多“半成功”案例。之所以說“半成功”，是因為它們大多數(shù)無法正常工作，或者僅僅只能存活幾天時間。

　　比如，美國生物科技公司Organovo曾打印出一種能夠正常使用的微型人體肝臟，但它僅僅存活了40天時間。路易斯維爾大學(xué)研究人員也在去年4月打印出了心臟瓣膜和小靜脈，他們希望在未來能夠使用病人的細(xì)胞打印出一顆可以正常跳動的心臟。

　　對于3D生物打印的前景，中國工程院院士、被譽為中國“3D打印之父”的盧秉恒認(rèn)為，預(yù)計5~10年內(nèi)，我國即可使用3D技術(shù)打印包括臟器在內(nèi)的人體活體器官。

　　盧秉恒介紹道，在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印目前已能夠定制骨骼，方便醫(yī)生在手術(shù)前反復(fù)練手。此外，還有醫(yī)生將3D打印應(yīng)用于癌癥的靶向治療，打印癌癥病變部位后反復(fù)模擬，最終使用穿刺技術(shù)將藥物精準(zhǔn)送達(dá)病灶。也許在未來，用臺式掃描儀評估病人傷口后，就可以直接在病人傷口處打印人體組織。

　　至于3D生物打印的費用，北京解放軍總醫(yī)院骨科研究所副主任彭江表示，如果二三十年后，3D打印器官的技術(shù)能真正成熟，它也一定是高端消費?！耙驗檎麄€研發(fā)、細(xì)胞培養(yǎng)等一系列的成本非常高，當(dāng)然等到實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)時，成本會有所降低，但前期投入不可忽視?！迸斫f。

　　3D打印流程：

　　“設(shè)計藍(lán)圖”必不可少

　　3D人體器官打印和塑料雕像打印之間的原理極為相似：都一個墨盒和噴頭，它們可以噴出“墨水”，并且逐層噴墨。不過，兩者之間又有明顯不同。

　　我們都知道大多數(shù)器官的樣子，但是想要打印出適合某個個體的器官，需要先對病人進(jìn)行CT掃描，然后制出一張“設(shè)計藍(lán)圖”，對細(xì)胞在每層組織中的位置做詳細(xì)說明。

　　生物打印機使用的材料并非是PVC塑料或金屬，而是人體細(xì)胞以及黏合劑。除了使用真正的細(xì)胞之外，生物打印機也可以使用干細(xì)胞、生物工程材料和其他人體不會排斥的替代物質(zhì)。例如，2012年，一位83歲的比利時老太太曾成功移植了3D打印的“鈦下巴”，2013年，美國一名男子移植了3D打印的“塑料頭骨”。

　　一旦樣本打印出來后，需要將其放到培養(yǎng)器中，以便細(xì)胞能夠“融合”，彼此之間和諧相處，如同真的器官一樣。這一點也是當(dāng)今3D人體器官打印面臨的真正難題。

陳老師專家一語中的，器官的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超想象，每一個器官的功能性細(xì)胞都是不一樣的，你的細(xì)胞耗材品種之多，保存和醫(yī)療條件之苛刻都可說是天價的，涉及基因?qū)W，遺傳學(xué)，細(xì)胞排異等等一些列問題，是不是每個人的身體都能夠適應(yīng)這種器官，另外有一個最可怕的問題就是大腦是絕對無法更換的，人類是物質(zhì)和精神的統(tǒng)一體，就按唯物論講大腦數(shù)據(jù)如何復(fù)制？這都是問題，不要換個行尸走肉出來
3D打印器官離我們還有多遠(yuǎn)？ 2016-02-27 12:04:26
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