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打印“自己”:3D打印“照亮”器官移植的未来

2014-12-02 09:45 · 稿源:猎云网

2012年的2月,密歇根大学附属C.S.莫特儿童医院的医疗团队为一个三个月大的男婴进行了一次不寻常的手术。这个男婴患有先天“气管支气管软化”,这是一种非常罕见的病症:这个男婴气管的一部分组织缺乏应有的软骨硬度和支撑力,从而会不断造成管腔不同程度的塌陷。这就使得他无法进行正常呼吸,还会引起附近血管(包括主动脉)阻塞,从而引发心肺骤停。该男婴当时仅能依靠呼吸器来存活,而医疗团队也在绞尽脑汁想办法来拯救这个可怜的婴儿。他脆弱的气管组织需要被修复或者替换,但手术风险太大,更何况对象还是这么小的一个孩子。医疗团队咨询了这个男婴在俄亥俄州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。

走进最真实的3D打印技术

顾名思义,3D打印机肯定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。它使用的油墨是由基板和具体的物质构成的。19世纪80年代,世界上第一台3D打印机诞生,它是由美国工程师Charles Hull发明的。3D打印机里的“油墨”是一种丙烯酸溶液。当它接收到激光束中的紫外线的照射,这种溶液就会凝结成固体。许多汽车、飞机的制造商都会在电脑上设计出复杂的零件设计图,然后通过3D打印机将零件原型打印出来进行生产。而如今,这种现象已经非常普遍了。随着科技的进步,3D打印机也就变得没有那么独特了,自然它也就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”的模型、建筑物模型以及整栋房屋,这些都能通过3D打印机打印出来。在美国,3D打印技术引发了人们的争论。争论的焦点在于是否应该允许公民使用3D打印技术来打印枪械,要知道现有的技术已经能够实现这一点。现在3D打印机使用的打印材料可以是塑料、金、银、其它金属、陶瓷、蜡甚至是食物。(美国国家航空航天局正致力于开发一款可以在失重状态下运行的3D打印机,通过这款3D打印机来为宇航员们制作披萨。)有兴趣的人只要支付一小笔费用,上传一张自己的照片,你就可以3D打印出自己的头像玩偶。

密歇根大学的医疗团队在此之前曾经处理过类似的病例。研究人员首先用CT扫描了男婴的胸腔部位,然后制作出需要修复的气管的三维图像模型。基于这个模型,研究人员设计并打印出了一块小夹板。这块夹板是用具有生物相容性的材料制作而成的小软管,用来加固男婴脆弱的气管,同时保持气管畅通。夹板坚固且柔软,还会随着男孩的成长而变大。研究人员将其比作为“真空吸尘器中的软管”。此外,这块夹板需要在男婴胸腔内呆三年左右,直到破损的气管痊愈。当男婴的气管痊愈后,夹板便会在其体内溶解掉,也不会造成任何伤害。在夹板植入三周后,这个男婴已经脱离了呼吸器并且安全回到了家中。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,也没有任何之前预见的症状发生。

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,我都能接收到一封来自我所在医院的新闻办公室的电子邮件:我的某一位同事在进行真正的手术前成功利用3D打印技术创建了一个精密的医用模型,比如说某个病人的二尖瓣、手指或者是视觉神经。外科医生如今可以将3D技术打印出来的移植片固定模、假肢或者是人颅骨中的一部分植入病人体内。3D打印技术的倡导者认为,这项技术能让制造业变得更加民主,我们可打印的东西也变得越来越私人和私密。不管你相信与否,在医学领域,我们正在用3D打印技术,“打印”自己。

去年六月份,我参加了科罗拉多州的阿彭斯思想节,在那里医疗健康领域的创新技术引发了一番热议。首先发言的是一个高大、蓄有胡须的男士,他是3D Systems公司的工业设计师Scott Summit。这家公司的创始人是3D技术发明家Charles Hull,后来这家公司发展成为世界领先的3D打印技术与服务的供应商。3D Systems设计出了一款非常流行的产品——Invisalign。这是一个3D打印金属矫正牙套,治疗过程首先要对病人的咬痕进行扫描,然后才能决定应该如何对牙齿进行矫正。Invisalign牙套看起来就像是一个透明的塑料嘴巴防护层,每一个牙套都是利用3D打印技术为病患量身定做。3D System会根据病患牙齿的恢复情况定期对牙套进行调整或打印出一个新的牙套,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合作进行了一项测试,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。不过为了修复弯曲的脊椎,佩戴者必须每时每刻佩戴着这款产品,但是显然多数孩子都不能做到这一点。Summit在电话中告诉我:“如果你仔细观察3D打印出来的脊椎,你会发现它在挤压着佩戴者的身体。如果在夏天佩戴这款产品,使用的尼龙搭扣带会让佩戴者感觉非常热。大部分青少年都不愿意在走路的时候佩戴这款产品。”这一点我还是感同身受的。几年前,我曾经做过一次脊椎分离手术,术后几个月我一直使用类似的支架,戴着那东西走路实在是种折磨——这种支架会让人感到极其不舒服,还没有办法把它遮挡起来。”然而Summit设计的新支架看起来却像是一个为患者量身定做的蕾丝坎肩。事实上,3D System的3D打印脊椎是由精细研磨的尼龙粉末制成,既轻便又透气,加上是根据佩戴者的身体和医疗需求来量身定制的,因此穿上它就像穿衣服一样不会有任何不舒服的感觉。该公司先后在22个女孩间进行测试,他们都希望尽快让这款产品得到更广泛的应用。

在阿彭斯思想节上,Summit登台时身边还有一位46岁的女士,这位名叫Amanda Boxtel的女士原先需要依靠轮椅才能行走,然而今天她却是走上了舞台。究竟是什么让她重新站起来走路的呢?事实上,在1992年,一场滑雪事故让Amanda失去了她的双腿。但是困难并没有就这样打败她,她如今是Bridging Bionics公司的主管(这是一家致力于帮助瘫痪人士恢复行走能力的基金会)。2013年,3D Systems的研究人员找到了Amanda。他们先用仪器扫描了她的下半身的身体轮廓,然后用柔软的尼龙纤维为她“量身打印”出她的躯干、小腿和大腿。随后,研究人员将3D打印四肢装到了Ekso Bionics公司现有的一套电动护腿与手部控制仪上。就这样,一套定制的人类“下半身”诞生了。当Amanda穿上了它,开始练习慢慢行走——就是这样,她在阿彭斯思想节上走上了舞台。Summit在采访中表示:“其实还有一些摩托化机动辅助器材,但是它们都不是为使用者量身定做的。如果这些设施对佩戴者的臀部还有腿部产生压力,佩戴者就会存在擦伤或是感染的风险。” Boxtel后来也在采访中表示:“我很喜欢我的这双机械腿因为它是根据我的身体而制作的,也是为了我能行走而制作的。但是我还想让它能成为我时尚又性感的‘跑车’——穿上它我可以快步行走。”技术还在不断进步,希望有朝一日Boxtel能实现她的梦想。

3D打印植入

在此之前,3D打印医疗设备多被用来从外界支撑使用者的身体。但最近,3D打印物体也逐渐开始使用于人体内部。3D Systems将自己的打印技术提供给制作定制膝关节植入体的Conformis公司,这家公司每年要打印1000多个为顾客量身定做的膝关节植物体。(尽管市场对于这种订做的膝关节的需求在不断上升,但是这类订做的膝关节和普通的膝关节植入体究竟谁更胜一筹,这个答案仍是悬而未决。)今年早些时候,威尔士的外科医生,利用该技术为一位名叫Stephen Power 的29岁男子重塑了面部骨骼。Power在一起摩托车事故中发生了意外,他的左脸颊、眼窝、上颚、头骨均发生了脱落。通过扫描Power “幸存”的骨骼,医疗小组制作出了他整个面部的3D结构图,然后打印出钛材料制作的假体,并成功植入Power的头部和脸部。

最近,我同Bronx蒙特斐奥医疗中心的Oren Tepper博士进行了交谈,他是这家医院的颅面手术的负责人。Oren Tepper博士在他的实践中开创了3D打印技术的新使用方式。2012年,他接手了一个名叫Jayla的女婴。这个女婴先天下巴残缺,从而使得她经常性呼吸困难。诊断过后医生就会为她进行气管切开术。通常来说,医院会为这种患者进行颌骨重建,但这种骨移植手术风险太大,以Jayla当时的年龄来说并不适合。

然而,Tepper却不赞成为Jayla进行气管切开术。他为Jayla做了脑部扫描,根据扫描得到的信息用3D打印机为她打印出了理想的下颚模型。Oren Tepper博士并没有打算用这个模型来替换Jayla的下颚,相反,他打算改变Jayla的下颚形状,使其与模型匹配。然后,Oren Tepper博士打印出适合Jayla下巴的三维模具。模具上有狭缝和空洞,让他能在不损害Jayla面部神经的前提下植入下颚模型。最后,他给Jayla的下巴装了个棘轮。每天,Oren Tepper博士会将Jayla的下巴向前“拖拽”一毫米,以促进其骨细胞生长,然后填满整个拉伸的区域。几周后,整个医疗过程结束了,Jayla的下巴已经长得和同龄人无异了。如今,Oren Tepper博士每年都要治疗两至三个有类似残疾的孩子。

Oren Tepper博士在采访中告诉我说:“我也是从年轻一代成长起来的,年轻人对于新技术还是很适应的。当然你也可以尝试去做一个不含虚拟模具与3D打印技术的相当复杂的外科手术,不过那样的话,手术风险会大很多,失败的几率也大得多”。

3D打印细胞和器官

未来,3D打印技术还将给医学界的发展带来更大的飞跃。这些年来,研究人员一直想方设法试图在实验室中设计制造出人体的肾脏,肝脏以及其他器官和细胞组织。如果这个想法成功了,那么需要接受移植手术的病患就无需浪费大量时间来寻找捐献者了。但是,在实验室中进行细胞组织培养可以说是一件十分困难的事情。好在我们现在可以利用细胞作为“油墨”的3D打印,这就让我们看见了新的希望。19世纪90年代初,维克森林再生研究所所长Anthony Atala,开始在他的实验室中的可降解支架上培养人体的膀胱细胞。他培养的细胞呈袋状,之后他将这种带状细胞成功植入了7名膀胱功能较差的孩子体内并且大大改善了他们的身体情况。此后,医学界都开始把精力投入到了3D打印医疗技术的应用中,各类再造人体器官的成功案例比比皆是。其实在此之前,许多项目也经常利用3D技术打印出聚合物支架上的气管细胞、心肌细胞或是肾细胞,但始终未能使其成长为成熟器官。目前科学家们都在实验室里齐心协力培养人造器官,相信不久之后问题的关键已不再是他们能否成功,而是如何成功。

世界上第一款显微镜于16世纪正式诞生,时间就和望远镜的产生差不多。这两者带来了两个全新领域的发现——望远镜让我们明白了这个世界是由宇宙天体而构成的,而且天体之间的距离很远;而显微镜则让我们看到了人体内部细微的有机组织还有细胞。然而让天文学家从三维角度理解宇宙发展很容易,让细胞生物学家从三维角度理解微观世界却很难,因为人类对于微观世界的理解一直停留在二维水平。而产生这种现象的原因部分在于显微镜下的标本必须被放在细薄的载玻片上,这样上方或者下方的光线就可以照亮它,这就是在二维条件下进行观察。因此,即便拥有先进的电脑软件技术,生物学家也很难从三维立体角度理解组织和器官的相互联系,更不用说将它们重建出来了。

例如,我曾经在我的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。当这些细胞被移出体外,它们就会迅速死亡。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。首先我要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、二氧化碳和水蒸汽。在这样的环境条件下,内皮细胞能存活数周。然而我却也无法控制内皮细胞自组胶原基质。之前我在孵化器中放置了一盘肉皮细胞,几天后我惊讶的发现这个孵化器变成了一个流动的血管。

这样看来,再怎么强调这种结构对于生物系统功能正常运行的重要性也不为过了。

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”,这将会帮助红血球将氧气输送到人体组织中。然而当基因发生突变,球蛋白就会发生崩溃,甚至可以堵塞血管。直到最近,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。但是在十月份,《自然》报刊上的一篇文章表示:马萨诸塞州总医院的科学家团队成功在凝胶骨架中培养出了神经元,这样细胞就可以在三维空间里相互交流。他们由此预见到了一场研究阿兹海默症的热潮——在未来,会有越来越多的实验室研究人员来研究阿兹海默症。

与此同时,设计制造组织和器官的医疗实践也受到二维空间的重重阻碍。莱斯大学的生物工程师Jordan Miller在采访中指出:“成功的再造器官至少由数十亿、不同类型的活细胞构成。增加组织构造的任务乃是重中之重。” Miller还在PLOS Biology期刊上发表了一篇标题为“十亿细胞建造:3D打印技术能够带我们实现这一梦想吗?”的文章。一个培养皿甚至几个培养皿中培养的组织细胞远远不够,这些人造细胞需要能够进行营养、成长元素以及其他信息的交流。

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