3D打印的醫(yī)學憧憬：造人體器官

有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(guān)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(guī)物品，他們將目光投向了想象空間更為廣闊的生物醫(yī)學領域。

盡管3D打印在生物醫(yī)學市場前景廣闊，但生物數(shù)據(jù)處理、合適的生物材料、打印設備研發(fā)以及打印后的活體組織存活等四大技術(shù)性問題，是當前科研工作者面臨的“最難啃的骨頭”。

北京工業(yè)大學激光工程研究院教授陳繼民向記者表示，3D打印在生物醫(yī)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(yī)生通過提取一位患脂肪瘤女孩腿部的CT參數(shù)，將數(shù)據(jù)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(yī)學領域應用的端倪，那么3D生物醫(yī)學打印的全貌是什么？

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(shù)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(shù)可用來制造人工的組織，人工的器官、各種假肢、手術(shù)導板等一系列材料。

簡言之，3D打印在臨床醫(yī)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(yī)生更為直觀地觀察與溝通，并根據(jù)模型反應的實際情況量身定做手術(shù)方案，保證手術(shù)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(nèi)。

戴尅戎告訴記者，“由于一般常規(guī)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(shù)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(yī)學引入3D打印技術(shù)，開啟了“精準醫(yī)學”、“訂制健康”的時代。

盡管3D打印在生物醫(yī)學的應用屬于起步階段，但短短數(shù)年發(fā)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(chǎn)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(yī)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(guān)節(jié)，已經(jīng)比較普及了。反之，離人體越近的應用，如組織修復和體內(nèi)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(yī)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(jù)了解，國內(nèi)一些公司如先臨三維、藍光發(fā)展和光韻達等，均先后開始涉足3D生物醫(yī)學打印這一藍海。市場研究機構(gòu)LuxResearch預測，3D打印技術(shù)在醫(yī)療市場將于2025年達到19億美元的規(guī)模。

不過，業(yè)內(nèi)人士認為，3D生物領域真正發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)化還為時尚早。

康裕建認為，生物信息處理、生物墨汁研發(fā)、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(jù)掌握的信息進行二維到三維的轉(zhuǎn)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(fā)揮不出功效。

同時，打印所需的材料——“生物墨水”的研發(fā)難度仍較高。主要表現(xiàn)在細胞間如何作用，怎么排列，如何控制其所處的微環(huán)境。

除了上述提到的技術(shù)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(yī)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(nèi)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(yī)學打印在短期內(nèi)還無法進行大規(guī)模應用。

陳繼民表示，現(xiàn)有的醫(yī)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(fā)展。”
康裕建則建議，從事3D生物打印的公司應建立相關(guān)的IT部門，專注于對生物信息、數(shù)據(jù)的采集、分析和轉(zhuǎn)化。

據(jù)了解，目前3D生物醫(yī)學打印的工作原理為分層堆疊，液態(tài)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(huán)境，需要足夠的細胞培養(yǎng)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(xiàn)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(xiàn)在雖然能實現(xiàn)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(nèi)部，并將營養(yǎng)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(jīng)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(shù)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。