也许有一天你可以打印自己的心脏

文|马 迪   2017-05-14 23:03:32

从世界上第一台商用3D打印机的诞生到现在已经过了30年,3D打印逐渐走入寻常百姓家。早期的3D打印机只能够利用塑料作为“墨水”,而现在,“墨水”的材料早就大大地扩展了—金属、陶瓷、甚至细胞都可以被注入“墨盒”进行操作。

利用生物细胞进行打印的3D生物打印技术是一个充满了希望和梦想的领域。得了心脏病?没关系,用自己的细胞再打印出一个新的心脏……虽然听起来有些天马行空,但人类对于生命的探索哪次不是充满挑战?

首先要明确一个基本概念。无论是技术层面还是最终目标,3D生物打印和传统3D打印有严格的区别。虽然借用了相同的原理,但3D生物打印要做到更精确地控制生物材料(生物细胞、生长因子等)在整体3D结构中的位置、组合、互相作用,还要保持它们的生物活性,并要实现与目标组织或器官接近、相同,甚至更优越的功能。因此,3D生物打印是一个集医学、工程学、电子学、生物学于一体,非常交叉和融合的学科。

比如说,普通3D打印是将原材料一层一层“垒”成设定好的形状,但细胞可不像塑料那么听话,如果只是堆砌而不加约束的话,它们将会肆意生长(后果有点可怕)。于是,在生物打印过程中,一种叫做聚己内酯的化合物成为解决这一问题的关键。它可以发挥支架的作用,承载细胞维持器官或组织的形状,在随后的数年中逐渐生物降解,不留痕迹。

要打印器官或组织,则需要面临另一个问题:如何在这些组织的内部设计“空腔”—聚己内酯虽然可以使得细胞有序堆叠,但如果没有内部的空腔,这些细胞便活不了多久。如果希望3D打印出来的组织能够长久的存活,必须留出供血管穿过的空间。这个时候就需要水凝胶了。这种物质会充填在细胞与细胞之间,当细胞形成稳定的结构后,它们就会被降解代谢。这样,原先它们存在的位置,就形成了可供血管伸展和发育的“空腔”。

早在2003年,科学家便将喷墨打印机墨盒里的墨汁换成装有细胞的水凝胶,首次实现了活细胞图案的打印。随后10多年间,生物打印技术一直在发展,从打印方式到打印材料,都有了巨大改进。2009年,第一台3D生物打印机的原型机问世,随后被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

从理论上讲,生物打印的第一个突破口是皮肤、血管,然后是软骨以及骨骼,最终则是具备完整功能性的器官。说白了,就是通过3D打印,直接在人体外制造器官,比如生产出肾脏、肝脏,甚至心脏等等。

皮肤的打印早已有成功案例。由于生物打印能制备任意形状的人造组织和器官,更能对人体损伤部位进行有针对性的重建,与伤口处实现无缝对接。这一技术在修复创伤皮肤领域有特别显著的效果。

另外有一点必须要重视的是,大部分人体组织和器官都是有血管系统的,需要得到足够的供血才能保持生物活性。如果没有相应的血管系统,即使能制造器官也不能长时间存活。因此,能否打印出有血管系统的组织器官,并且能融合于人体整个血液循环系统,是一个相当大的挑战和难题。

四川大学华西医院再生医学研究中心曾经成功地将打印出的血管植入恒河猴体内,也代表了中国3D生物打印技术的前沿。在这项实验中,3D打印机用干细胞(干细胞可以分化为机体的任何一种细胞)打印出约2厘米长的血管样本,然后将这些血管植入30只恒河猴的胸腔中,术后存活率达到100%。植入一个月后,人工血管中的干细胞分化成了天然血管所需的多种细胞。随着时间推移,最终与恒河猴的原生血管完美相融,变得不可区分。

就在一个多月前,软骨打印实验也取得了进展。瑞典的科学家们成功地在小白鼠身上植入了3D打印的人体软骨细胞,这些细胞在小白鼠体内生长并增殖,60天之后形成了类似于“人类软骨”的组织,其中还发现了部分干细胞转化而成的血管。

3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题,我们距离人造器官的目标还有多远呢?澳大利亚悉尼心脏研究所开发了一种可以打印心脏组织的生物打印机。这些特定的心脏细胞可以植入患者的心脏,用来修复受损的器官,就像一个有效的“补丁”一样替换坏死的心脏肌肉。

对于再生医学来说,能够使用3D打印产品进行治疗是不折不扣的好消息。首先,它的成本并不太高;其次,利用来自受体的细胞培育的组织不具有排异性;加上CT等扫描技术,打印后的植入物可以精准地匹配原有器官,顺利地进行替换,从而减轻了植入过程对患者身体带来的负担。

在现有的医疗手段中,一个器官的获取要以另一个人器官的失去为前提,而主动或被动失去的器官数量又远远少于需要的器官。3D生物打印机的出现,有可能解决这方面的问题,从而延续病人的生命,无疑是未来一段时间内最值得期待的技术之一。

研发了世界上第一台3D生物打印机的Organovo公司首席执行官基思·墨菲在接受采访时说,最终有一天,我们只需轻轻按下按钮,就能打印出我们所需要的器官。如果真的如他所说,人类长生不老的梦想也许真的就此实现也说不定。

首先要明确一个基本概念。无论是技术层面还是最终目标,3D生物打印和传统3D打印有严格的区别。

上一篇回2017年5月第5期目录 下一篇 (方向键翻页,回车键返回目录)加入书签

© 2016 毕业论文网 > 也许有一天你可以打印自己的心脏