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3D打印把骨组织不再是“画饼充饥”

作者:时间:2018-08-10来源:网络收藏

工程学为骨缺损修复提供希望

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/386211.htm

在过去的十多年里,科学家们已经开始用组织工程学的手段,在实验室里培养制造人体器官(例如耳朵),而今天科学家们更多地在探索骨骼领域的组织再造,而且是用打印机直接打出来。

自骨外科手术时代开启一百年以来,骨缺损就一直是个困扰医学界的大难题。迄今为止,人类使用的自体移植骨、异体移植骨、异种骨都不能满足广泛的、复杂情况下的治疗需要,且这样那样的各种植骨并发症令人烦恼。上世纪90年代以来的工程学(Bone Tissue Engineering,BTE)则为骨缺损修复提供了长期希望。

工程学(BTE)的基本思路:干细胞+支架材料+构建。一个完整的BTE是由四个不可或缺的要素构成的:多能分化的干细胞,能够在体内外发展为成骨细胞,继而生成骨细胞;干细胞发育生长的骨架、通常是具备生物活性、模拟人体微孔结构的的无机或有机材料;促进分化、成骨和骨组织成熟的各种细胞因子;新骨发育和修复过程中所必需的血液循环。除了具备以上四个因素外,还有一个最关键、也是最难的问题,是实现以上各个要素的整合,真正建构出一个组织工程骨来。

把骨组织直接打印出来

骨组织工程学这么好,在临床应用方面的进展却只能用“慢慢吞吞”来形容。迟缓的原因,最主要就两个:一是复杂而慢;二是不经济。骨缺损的修复不容许有漫长时间的等待,如旷日持久的实验室制备、合成、培养,这也会让治疗的经济代价高得不切实际,骨缺损的更需要有个性化的方案。正如到上海儿童医学中心求治的“外星人男婴”,主刀医生鲍南就表示,每一例狭颅症的矫形手术都是独一无二的。

在1999—2004年这段时间里,开始被用于细胞支架材料的打印,这可是个革命性的进步,骨组织工程学治疗所需的生物支架材料可以不受批量生产的限制,随时打印随时取用了。

是否可以用的方式,直接将细胞、蛋白分子和支架材料一股脑儿地直接打印出一个立体结构来呢?有位俄罗斯科学家Mironov认为,这是可行的。2009年,Mironov先生首先用计算机模拟出一个骨缺损部位的立体形态,然后进行3D的细胞、支架、成骨因子“一揽子”打印,再在培养箱里进行短时间的“孵育”,然后就可以把这个完全个性化地、同时具备人体新生骨骼一切必备要素的3D打印骨,移植在患者身上。Mironov把这个称之为“生物复制”。这个在骨科领域提出的“生物复制”概念,准确地说,是用当时还很新潮的3D打印技术,把骨组织直接打印出来。

3D打印技术应用于骨组织的直接打印,发展到今天,已经日渐成熟。在“外星人男婴”的治疗过程中,主刀医生鲍南表示,以前进行颅骨矫形手术全靠术中解剖后按实际情况凭经验实施,到底效果如何只能等手术结束,头皮缝合完后才能看出来。现在运用3D打印技术,术前就按1∶1的比例重现了畸形的头骨,鲍南医师一边在脑中想象着裁剪方案,一边在这个立体的、真实的头骨模型上画下了手术切割线。实物模型不仅为手术方案提供精准指南,还可以通过提前测量父母面部数据,为患儿塑形后的面容体现父母特征提供依据。

骨打印会变得越来越方便越来越快速

在Mironov的启发下,欧洲、美国的多支研究团队开发出了符合上述理念的3D打印骨制造技术。其中具有代表性的有“光固化成型”(或称“立体光雕”)技术。方法是,将细胞、蛋白质分子培养在一个基质溶液池子里,然后将激光束或紫外线射入这锅“细胞汤”,池子里的基质液体是光敏感性的,受照射后就快速凝固,通过控制光照的方向可以制造出3维形状的固体出来。这就好比是在家里自制布丁,所不同的是,用这种方法做出来的,是一个布丁液中的特殊形状布丁。立体光雕法的好处在于成型快速,但是缺点是每一层固化体之间的细胞流动和沟通不太通畅。

还有一种方法叫“生物墨水”技术,所用到的就如普通打印机那样的简易设备,不但廉价、安全、而且高度自动化。用这种方式打印出来的3D骨还具有很好的微孔性能,便于细胞的移动和增殖。缺点就是无法打那些体型较大的干细胞,没办法,还是喷嘴的缘故。

此外还有Bio-Plotting等简单易行的注射打印技术。可以说,骨打印会变得越来越方便、越来越快速,在3D打印一次性构建新生骨的同时,科学家们还通过基质(支架)材料不断优化、微孔性能不断改良的努力,使得这种3D打印出来的骨组织,在植入体内后,能够快速吸引新生血管的长入、钙磷等矿物质的沉淀、以及血液中各种细胞因子的汇聚,使得3D打印骨在最短的时间里变得坚固、与人体自身的骨骼融为一体。

3D打印的骨组织不仅为临床上大量的骨缺损患者带来了经济、高效、个性化的福音,还能够被用于药物试验、以及各种少见的骨疾病的研究,大大地改变我们的世界。

未来的3D打印骨,一定是在各项性能上与人体骨骼更加接近,并且能够随时打印、随时植入的,其方便程度,也许技术人员只需像今天的打字员那样,轻描淡写地问医生:“您是要喷墨的,还是要激光打印?”



关键词: 3D打印 骨组织

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