3D打印的醫(yī)學(xué)憧憬：自造人體器官

每經(jīng)編輯 每經(jīng)記者 黃宗彥    

◎每經(jīng)記者 黃宗彥

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(xué)領(lǐng)域。

盡管3D打印在生物醫(yī)學(xué)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(shè)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(dāng)前科研工作者面臨的“最難啃的骨頭”。

北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院教授陳繼民向《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，3D打印在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用是一個由遠(yuǎn)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(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的端倪，那么3D生物醫(yī)學(xué)打印的全貌是什么？

杭州電子科技大學(xué)教授徐銘恩對此解釋到，3D生物打印是以三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)，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(xì)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(dǎo)板等一系列材料。

簡言之，3D打印在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)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(yīng)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(xì)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《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者，“由于一般常規(guī)的假體都是標(biāo)準(zhǔn)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(lán)光3D生物打印研究院院長康裕建認(rèn)為，臨床醫(yī)學(xué)引入3D打印技術(shù)，開啟了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”、“訂制健康”的時代。

盡管3D打印在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)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(xué)家們已開始著手研究具有活性的人體細(xì)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，是一個由遠(yuǎn)到近的過程，“離人體越遠(yuǎn)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(yīng)用，如組織修復(fù)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(xué)打印，吸引的不只是科學(xué)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(lán)光發(fā)展和光韻達(dá)等，均先后開始涉足3D生物醫(yī)學(xué)打印這一藍(lán)海。市場研究機構(gòu)LuxResearch預(yù)測，3D打印技術(shù)在醫(yī)療市場將于2025年達(dá)到19億美元的規(guī)模。

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

康裕建認(rèn)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(jìn)行二維到三維的轉(zhuǎn)化。一些復(fù)雜的器官，如心臟、肝臟等，由于血管、細(xì)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(xì)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(chǔ)研究

雖然3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(fù)雜性也讓3D生物醫(yī)學(xué)打印在短期內(nèi)還無法進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

陳繼民表示，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)水平尚不能完全將人體器官分析透徹，“科研工作者應(yīng)投入更多精力到基礎(chǔ)研究，掌握豐富的生物信息后，才能使3D打印更進(jìn)一步發(fā)展。”

康裕建則建議，從事3D生物打印的公司應(yīng)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(xué)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(xì)胞的活性造成一定的損傷，這需要通過一些特殊的設(shè)計和處理，才能保存其較高的活性。并且，控制好細(xì)胞所處的微環(huán)境，需要足夠的細(xì)胞培養(yǎng)液予以供給。陳繼民指出，“要想達(dá)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(rèn)為，現(xiàn)在雖然能實現(xiàn)仿生器官表面的細(xì)胞具有一定活性，但如何進(jìn)入具有一定厚度的器官內(nèi)部，并將營養(yǎng)輸送進(jìn)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(xì)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(tuán)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(xì)胞存活率達(dá)90%，能夠存活四個月。

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活體器官打?。嚎瓷先ズ苊?/p>

◎每經(jīng)記者 黃宗彥

“在未來，人們根本不用擔(dān)心會因器官病變而死于非命，亦無需等待遙遙無期的捐贈者，只需支付一筆費用，就能獲得一個功能與外表兼顧的人造器官回歸正常生活。”——這是好萊塢經(jīng)典電影《重生男人》中的劇情。

據(jù)統(tǒng)計，我國每年大約有150萬器官衰竭患者，有30萬適合器官移植方式治療，但是，卻僅有1萬余人能得到器官移植的救治，有限的活體器官來源滿足不了患者需求。

隨著被稱為“人類另一個登月計劃”的3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，或許能填補這一空白，也可以令電影中的情形在現(xiàn)實中得以實現(xiàn)。這一天馬行空的想法是用“生物墨汁”通過3D打印機，打印出1:1的仿生器官模型，再通過體外培育細(xì)胞組織為模型注入“生機”，最后再植入人體內(nèi)替代病變的器官，實現(xiàn)器官移植。

不過，多位業(yè)內(nèi)專家表示，該技術(shù)目前還處于起步階段，如何實現(xiàn)從觀賞性到功能性的改變，還需要打印材料、器官精確數(shù)據(jù)等多個方面的技術(shù)性突破。

活體器官稀缺

目前我國人體器官市場的供求比為1：100。單以腎移植手術(shù)為例，每年進(jìn)行移植的患者為3000人，而需求者高達(dá)30萬。大多數(shù)患者只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。

在此背景下，3D活體器官打印成為了科研工作者眼中的“香餑餑”。

資料顯示，3D生物打印技術(shù)在2003年實現(xiàn)了單一細(xì)胞打印，6年后實現(xiàn)了多細(xì)胞打印，并且業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為到2020年打印活體器官的目標(biāo)也將達(dá)成。

中國工程院院士戴尅戎介紹，目前已有不少專家在進(jìn)行活體器官打印的研發(fā)。

四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司近期表示，公司將于下半年推出一款3D生物打印機，目標(biāo)是打印人體組織片和血管。

從單細(xì)胞到多細(xì)胞，再到構(gòu)建復(fù)雜的器官組織，器官打印的研發(fā)似乎已離成功僅有一步之遙了。

活體器官尚未“激活”

盡管3D醫(yī)學(xué)打印備受資本追捧，但部分國內(nèi)相關(guān)上市公司并不打算進(jìn)入純粹的生物3D打印技術(shù)領(lǐng)域。

深圳光韻達(dá)科技有限公司董事長侯若洪向《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者坦言，“我們目前做的是工業(yè)制造和醫(yī)學(xué)手術(shù)，沒有涉及生物打印領(lǐng)域。我認(rèn)為現(xiàn)在3D打印生物上的應(yīng)用大部分還停留在高校和實驗室里。”

資料顯示，一個成功的再造器官至少由數(shù)十億不同類型的活細(xì)胞構(gòu)成，如何在實驗室條件維持細(xì)胞的結(jié)構(gòu)形態(tài)、為器官提供營養(yǎng)、連接血管網(wǎng)絡(luò)仍是待解的難題。

美國Drexel大學(xué)教授JackZhou曾公開表示，運用3D打印技術(shù)制成的物體要植入人體，必須經(jīng)過大量細(xì)胞培養(yǎng)和試驗，來確保其能夠在人體存活。但人體組織之復(fù)雜，遠(yuǎn)非現(xiàn)在的技術(shù)能夠駕馭。

此外，面世的生物材料僅有30多種，數(shù)量有限。這些材料會否對人體組織發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生副作用，也需要長期的臨床觀察。

北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院教授陳繼民表示，3D打印器官目前還只停留在模型上，如何賦予它“生命”，是實現(xiàn)活體器官移植最艱巨的任務(wù)。