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3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?

2019年05月19日 20:20 次阅读 稿源:科普中国 条评论 芒果TV年卡三折特惠

3D打印,20世纪以来最受关注的技术之一,无疑是超前科技的代言词。近年来,随着3D打印技术的发展,这种先进的技术也逐渐渗透到医学领域。比如,4月诞生的全球首例3D打印“完整心脏”,拥有细胞、血管、心室和心房的樱桃般大小的心脏。

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3D打印心脏过程

还有以往在3D打印器官上取得的各项突破性研究:

解决活体器官短缺,降低受体排异反应,对器官移植有着重要的意义。

那么,距离3D打印器官可代替捐献的器官,用于治病救人上还有多远呢?我们今天就来讲一讲。

3D打印技术是什么?

“3D打印”是对“增材制造”这种材料成型工艺的通俗叫法。

3D打印区别于传统的材料成型工艺,在加工的过程中材料质量不减反增,通过“自下而上”的材料累加来成型,像盖房子一样一砖一瓦地逐渐搭砌。

整个过程以数字模型文件为基础,通过电脑控制实现,能够构建传统工艺难以制造的复杂结构。

从世界上第一台商用3D打印机的诞生到现在已经30多年了,随着技术的进步,3D打印也和我们的生活联系越来越紧密。

早期的3D打印只能够用塑料作为“墨水”打印。

而现在,“墨水”可以是塑料、金属、陶瓷、甚至细胞,被注入“墨盒”进行操作。

3D打印技术根据工艺特点,主要有三类:

一类是利用激光、等离子束等高能束将金属、陶瓷、塑料粉末逐点、逐层的融化、烧结,最终成型。

这一类工艺主要是用在工业加工领域,例如国产大飞机C919的某些大尺寸钛合金零件就是用这样的工艺打印出来的。

第二类是将塑料等材料通过加热融化为流动熔体,或是配置成可流动的浆料,通过压力从一个针尖挤压出来,并在空间中凝固成型。

目前常见的桌面3D打印机大多采用这类工艺。细胞和器官打印也往往用这类工艺。

第三类是基于光固化原理,利用紫外线激光会引起光固化树脂液体固化的现象进行打印。由于激光聚焦精度高,这类工艺往往具有较好的成型精度。

3D打印是怎么打印器官的?

女娲捏土造人、哪吒化莲重生是我们祖先天马行空的想象,而活体细胞的3D打印则是真实的尝试。

生物材料和再生医学领域的科学家们不断尝试利用3D打印制造可以植入人体的组织和器官。


图片来源:3dprint

这也是3D打印最受人关注的重要新兴的领域之一,近年来捷报频传。

2016年,科学家们将3D打印出的组织移植到生物体内,并且证明了这些从打印机里诞生的组织能够像正常组织一样存活并生长。

整合组织-器官打印系统”(IntegratedTissue-Organ Printing System,ITOP)打印的下颌骨(左)和耳廓(右)。图片来源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413

那么这些“组织”和“器官”又是如何通过3D打印制造出来的呢?

首先,我们需要设计好数字模型蓝图,而细胞就如同普通桌面打印机中的浆料一样,从针头中挤出,像盖房子一样逐层构建,形成预定形状。

但是,细胞和细胞之间没有粘结的话,一旦打印出来就会溃散,因此,一种叫做水凝胶的物质被用作支架,将细胞组装起来。

在打印的过程中,水凝胶可以维持组织或器官的形状,并将细胞包裹、粘接,有序的堆叠在一起。水凝胶可以被生物降解,没有生物毒性。

图片来源:UC San Diego

天然组织具有大量的管道结构,以供血液等多种液体在组织中流动。如果打印的组织或器官不具备管道空腔,那么细胞是无法存活的。

因此在水凝胶支架中预留部分空腔,有助于初期的给养和代谢。

当细胞存活并形成相对稳定的结构后,水凝胶支架就会被降解,并进一步形成供血管等管道发育生长的“空腔”。

“生物3D打印机”工作原理。墨盒中容许填充细胞和水凝胶。组织内部的空洞可供血管发育。图片来源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413

这样,典型的“生物3D打印机”的“墨盒”中就将填充由细胞、水凝胶组成的生物“墨水”,在打印过程中,生物“墨水”就会逐层堆叠成对应组织的形状。

3D打印的器官和人体器官有什么区别?

目前在实验室中通过3D打印制造的组织和器官,在尺寸、结构、细胞种类、细胞存活时间等多方面还和人体器官有差距或是有限制,所以绝大部分的3D打印组织和器官还没有能够作为移植器官植入体内。

3D打印得到的器官,已经能够维持固定的外形,具有简单的器官功能。

然而,人体器官往往由多种不同细胞组成,各类细胞或是细胞集合发挥不同的作用,器官中又具有大量的血管、神经、各类管路等结构与细胞一起共同实现体内的复杂功能。

而现在3D打印组织或器官往往细胞种类单一,不具有复杂管网结构,通常无法实现人体器官的复杂功能,只能被称为“类组织”或“类器官”。

3D打印的器官作为医学研究的工具,在药物筛选、肿瘤模型等方向发挥应用。

对于再生医学来说,3D打印使用来自受体的细胞,制作的组织和器官不具有免疫排异性,并且组织和器官的尺寸与功能等可以实现高度个性化定制。

3D打印可植入的器官在不久的将来具有广阔前景,十分令人期待。

本文专家:杭飞,华南理工大学国家人体组织功能重建工程技术研究中心,华南理工大学材料科学与工程学院副教授

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