戴尅戎院士：基于3D打印和活体生物反应器技术的软骨/骨再生研究

主持人：今天上午我们非常精彩又激荡，加上中午又摄入了满满的食物，我相信上午的脑力释放了很多，中午又进补了一些血糖进来，中午可能是比较困的时候，但是我相信下午的会议非常精彩，这个精彩让大家再坐在一起认真地来交流和探讨。
    请允许我简单介绍一下下午的两位主持嘉宾，一位是丁建东教授，是聚合物分子工程国家重点实验室主任、复旦大学高分子系教授、博士生导师教育部长江科技教授、国家杰出青年基金会、国家“万人”计划领军人物。更详细的介绍，可能大家手上都有。第二位大会主席是陈晓峰教授，担任华南理工大学生物与工程系主任、生物医学材料和工程教育部重点实验室主任、国家人体组织功能重建工程技术研究中心副主任。所以说，两位教授又带领我们在座的各位专家、教授一起进入下半场的论坛。所以说我们有请陈晓峰教授和丁建东教授主持下午的论坛，谢谢大家！
    陈晓峰：非常感谢张总的介绍，我们继续我们的高峰论坛！
    下午第一位发言人是我们尊敬的戴尅戎院士，是上海交通大学医学院附属第九人民医院教授，下面有请戴院士，大家欢迎！


    戴尅戎：各位老师好！我觉得老师发言以后，大家插个话，接下来再是老师发言，这样大家比较有体会。
    真的不是客气，我是骨科医生，大家都知道一个骨科医生有多少本事。
    这里是这样，多多少少有一些组织工程的小经验，再加上我们最近做3D打印比较多，所以把这两个加起来谈一下我们所做的工作。
    题目里面大概有三个关键词：第一个“组织工程技术”，实际上我觉得是进入生物打印的台阶，因为在做组织工程的过程当中了解细胞、了解支架，了解了很多的生长粒子；第二个就是“3D打印”，3D打印将会明显地改变组织工程的发展，把组织工程明显提高；第三个是我今天想讲的，就是“活体生物反应器”。
    组织工程技术其实也不太远，上世纪1987年的时候，美国首先提出了这个，而且当时就提到细胞、支架、生长粒子这三个生长要素。用组织工程的技术，能不能够形成一个组织工程化的关节？是从这个角度关心这个事。其实这件事情，2009、2010、2004年的时候已经有过一些报道，不详细回顾了。
    在2004年的时候，Warnke在Lancet发表了一篇文章，这篇文章被人家转报道的时候，用的不是学术的标题，就是“A dream”，一个梦想，一个梦想是什么东西？就是他去培育一个组织工程的关节的时候，他不用平常的生物反应器，而用了一个活体的生物反应器，而且拍了一张照片，在他的背上放了一个关节。我当时看了一个图，觉得找叫我摆不会把关节摆在背上。实际上这件事情接下来，有一两篇文章有讲Warnke自己搞了一个项目，一个人由于肿瘤切除以后只剩下两个生肢，他就给他做了一个组织，然后抽了20CC的骨髓，打到里面去，这里面当然有白细胞这些。然后怎么办？就把这样一个东西，它的外形有点像下颌骨，就给它放在胳肢窝底下，这个地方是背阔肌所在。之所以用背阔肌，是因为背阔肌很长，等到它在背阔肌里面存活以后，这个背阔肌可以把它分离出来，就不要替下来，一替下来“断奶”了，血管没有了，这样子就来修补这个缺损。在大家的右上角，可以看到它外面是一个网，里面装了一些像骨头渣一样的东西，红红肯定是他讲的骨髓。然后到了7个礼拜以后，他把背阔肌加上这块东西，连同他的血管，一起植入到缺损区，就放到这里面，由于它外面有一个网，所以它的形状是很像的，然后就装上去，而且他说4个礼拜以后，底下一张可能是做增强的片子，可以判断是做血供的，血功补充进来，所以它是一个比较成功的例子。这里面，反正它这个思路是非常好的，其实他现在种进去的是没有牙齿的下颌骨，这时候他没有办法种牙或者是什么，但是这个思路非常好，就是我们没有在什么地方去辛辛苦苦培养四个礼拜做一件事情，反而是在病人身上自己解决了。
    恰恰我跟同学讲课的时候常常谈到我们组织工程搞了半天，但是一旦放到病人身上，血供没有形成，而营养液没有办法供给，就像小孩子断奶，你断奶以后，不给他吃别的奶，他不饿死才怪。这样一来，它就解决了饿死的问题。那么，它的局部血液供应还是比较好的，而且从切片来看有活体细胞和骨组织。所以这样的话，这个下颌骨应该说是重建成功的活的下颌骨，不是死的。所以这一点，确实引起一些反响和轰动。这里面，我估计图片是太小了，箭头指的都是一些活体细胞，这些活细胞一看就是活的。
    然后在2013年的时候，Levin搞了一个小肠，它就有血供出来了。这个是在病人背部的一个地方搞了一个气管，这个病人的气管没有了，就在用组织工程的技术造了一个气管，而且这个气管跟周围的肌肉是连在一起的。所以这一类的东西，给我们一个很深的印象，这个曲线图就说明它的是有代谢的，它还在造骨。那么，开始有人用这个来发展药物，人用一些东西代它，它放在肌肉里，里面可以放上病人的胰岛，然后连肌肉一起搬家，搬到一个适合的地方，那么它用胰岛素来治疗糖尿病。这些东西都是利用病人自身的一些条件，来给他重建缺血供应。
    其实就在那个前后，Lancet那篇文章是2004年的，实事求是我的学生韩东是2003年，提前了一年，所以不是受这篇文章的影响。但是这个问题出来了，他是一个显微外科医生，但是显微外科医生的特点是折腾血管是很有本事，他说我就给你搞一个带血管的组织工程生长的东西，它可以搬来搬去，不够长的话不要紧，我割断了以后再小的血管也能把它接起来，那么他就能恢复血功能。所以我说那就好，你到我这里来做博士后。所以到了2003年的时候，他整整折腾了一年以后弄不起来。因为当时搞得太复杂了，搞了转基因什么东西一起上，所以最后他是完成了另一个题目，总算博士后毕业。毕业以后，凭他的一技之长，他显微外科做得非常好，所以我们医院的手外科把他收进去了，这样他就变成了我们医院的整形外科医生，一直工作到现在。这次我来做演讲的时候，我说你那个时候的东西还有没有，有的话给我一点，这是他做的工作。

在人的身上和在动物的身上，都有一个大家都知道而时常没什么用的，叫做隐动脉和隐静脉，这个血管很长，但是它的管直径很细，这里面的东西没什么大用处，跟它一起的还有隐神经。那么他就把这个血管剥出来，就在小腿内侧上方的地方，在血管周围，把它的肌膜剥下来。肌膜剥下来以后，把它反过来，就把血管卷在里管，这个管里面再去放上一些β-TCP，就发现在这个管里面，它就会匹配成功。他同时也打了一点骨髓，那个骨髓里面，理论上来讲应该有一些细胞。再加上里面有一些间充质干细胞，再加上β-TCP的作用，它就形成了一些骨头，这是一个方法。这样的话，隐静脉在显微外科医生的手上是很粗很粗的，缝一缝是绝对没有问题的，那么长的一个隐静脉到哪里都可以接，所以这个思路非常好。然后他又做了一个，做了一个不是带肌膜的，是带骨膜的，带筋骨内侧的骨膜，把骨膜剥下来以后做了一个，他就希望这将来变成一段骨头，这段骨头就可以移植，这是他做出来的东西。这是他的另外一种方法，他把骨膜翻转，一翻转可以看到隐静脉，隐动脉都在这里。这是长骨头的情况，不详细讲了，有新骨形成，而且发现有血管网。当然有血管网，因为隐动脉和隐静脉一共就这么点血管，所以它的血液功能很快重现。所以这样一来，这个“宝宝”没有断奶期，他始终有充分的血液的供应，这就是它里面开始有很多的骨岛出来，在这个骨岛之间还有一些小的骨细胞的存在。
    这是一个故事，这个故事里面，实际上我们几乎是跟国外的同步的，问题是我们当时一开始没有做成功，那个时候是2003、2004年，最后发表了两篇文章，大概是2011、2012年发表，很厚的。他不死心，做了显微外科主任以后又做了一个实验，大概是这样一个情况，这是第一个故事。
    第二个故事发生得晚一点，是在2010-2013年这个阶段。这个阶段我们搞了什么？搞了双相支架，这个支架是姜闻博博士做的。这个是因为我当时招了一个博士，姓丁的，他是骨科医生，他想搞一些3D打印的东西和组织工程的东西，来构建一个关节。这个时候就找到了材料学院的博士生姜闻博，这个学生很能干，他自己搞了一个3D打印机专门打印支架，现在已经改装成了。现在丁春明已经离开我们医院，而姜闻博在外面工作一段时间以后，应聘到我们这儿做3D打印中心的副主任，是这么一个渊源。
    我们知道在关节里面，这是一种模式的情况，我们说关节的软骨坏了，关节的软骨和软骨下骨是紧密相连的。所以在这种情况下，你只换软骨，软骨不是靠血液供应营养的，它是靠组织、关节液来供应营养的。所以在这种情况下，你单单换掉一片软骨，实际上从骨科医生来看是比较外行的。那么要怎么换？最好是把软骨和软骨下骨一起换，把这两层东西一起放进去。这个时候，下面的骨头和周围受阻的骨头连在一起，血供重建，来营养软骨。而软骨不能直接靠血供应，只能靠组织液带营养。那么这个软骨和软骨下骨连在一起，但是这两者在组织结构、细胞类型、发育生物学、生物力学等等方面完全不同。这两种完全不同的组织居然贴在一起完全分不开，弄个刀子想在这个断层里面断进去是断不开的。所以这样的话，两个学生一起发明了一个双相支架，这是很复杂的图，我们今天就不要折腾它了，我把它弄得更简单一点，几条途径：一条途径是做软骨的，一条途径是做软骨下骨，最后把这两者合并在一起，构成了一个完整的关节表面。
    这两个部分的组织，上面长软骨的一部分用的是PGA/PLA，下面长软骨下骨的是用PCL+HA，一个是有利于软骨细胞生长的，一个是有利于肩周干细胞生长的，要想办法把这两个东西扣在一起，这里面也有很多小故事。这就是刚才提到的姜博士的机器，这是他最近改装成的，这个跟故事没关系。
    所以他希望：第一，我打出来的东西，它的形状是可控的，这在3D打印一点问题都没有，这比平常组织工程的靠胶膜的好多了，它还有一个有利于长软骨，一个有利于长骨头，达到这个目的就行了，所以就涉及到所谓的CAM、BAM。
    怎么解决界面的问题？我们采取了一些措施。上面长软骨的支架有很多小的纤维刺出来，而底下有很多的陷窝，给它嵌进去。其实最后折腾了半天，这些东西都可以不要。最后举了这么一个例子，大家都戴帽子，是不是一定要把这个帽子，用线缝在你的头皮上？是不是要用螺丝钉钉在你的头骨上？不需要的，我们帽子不是戴得好好的，只有极少数人的帽子被风吹掉了。所以软骨和骨，它在一定的时候，只要你一开始的时候戴着松紧刚好套住，它是不太会脱离的，慢慢两个会长一起。也就是说我们什么都没干，两个长到一起了。开始有两位澳大利亚来的女学生，她说她用线缝，缝了半天什么也没缝上。
    所以在这个问题上，我想长话短说，我们两边都放了不同的细胞，上面一排是软骨的一部分，我们种上软骨细胞以后，慢慢地大家看到A3这个图上有很多分泌出来的尖刺，这里面有骨细胞。下面一行是长骨头的，底下那层种上的是间充质干细胞，它慢慢向骨分化。
    2003年，给它做了一个扫描，替它做了一个山羊股骨头，准备等到一切就绪以后，把它的股骨头切条，然后换上股骨头，这个股骨头包括软骨，包括软骨下骨。这个关节里面，已经把软骨和骨头两种完全不同的东西，作为一个整体搬家了。这需要10个礼拜，10个礼拜里面需要不停地更换营养液，在这个过程当中如果污染了，那么就全部失败。如果操作流程当中温度有太多的改变，那么也全部失败。这个时候，就把这个东西，在一般的生物材料里面四，循环了两个礼拜以后，看看挺好的，就把它放在一个松鼠的背上，就靠松鼠的血供和松鼠募集来的各种各样的营养、其他的细胞或者是生长因子，就在它的身上培养了8个礼拜，加起来10个礼拜，最后拿出来是这样一个东西，它上面一层是软骨，下面都是软骨下骨。
    4种不同的染色，都证明软骨的生长是非常好的，它跟我们正常的关节软骨几乎难以区分。当时我还死盯着他，就是说到底你这个是什么软骨，你不要拿软骨来充数，他说没有，真的是从这里面培养出来的。那么这是软骨下骨，我们可以看到还有一部分的支架未完全吸收掉，但是骨细胞这些都出现了。这个Micro-CT更加清楚了，白的是支架，红的是活组织，随着红的越来越多，白的越来越少，将来全部被红的替代。最值钱的是这几张片子，就是上面是软骨，下面是软骨下骨，已经没法分辨，你找不到界限了，你要掰它掰不开，它完全变成了一个东西，这个东西的表面是软骨，下面是类似于松鼠的软骨下骨。
    所以这是他们两个的成绩，把这篇稿子整个前因后果写出来，一个礼拜，不需要修改，我们接收了。其实这个稿子有一个问题，最精彩的没有摆进去，它怎么长的都有，理由很简单，如果摆一次羊骨，肯定有时，你不摆羊倒没事，所以这个羊就没再做它。
    这是猪的长骨远端的关节，也依样画葫芦，套个套子，底下是骨头，最后给它换了一个脚掌的关节，也是成功了。
    所以这整个是按照方法去做的，而且能够成功的。这在临床医生身上，觉得这种事情好做，为什么？驾轻就熟，肌肉搬家我们不怕，你去把它埋在一个什么肌什么肌，我们也熟悉，所以口腔科最喜欢，因为这附近的很多肌肉，他一翻上来就到脸上去了，什么背阔肌，都翻得上去的。
    再往下，干脆有一部分的软骨坏掉，我们就把这部分软骨换掉行不行？以前采取的办法是把这块软骨削下来，然后在不重要的地方削一块软骨贴上去，或者在什么公司买一个什么东西贴上去换软骨。换软骨最大的一个问题，第一个你不固定，第二个你怎么提供营养？我们知道软骨不是直接靠血管来提供营养，它主要靠周围的关节液和组织液的营养。所以在这种情况下怎么换？要么不要换，要换连这个软骨带软骨下骨一起不要它，再换一个软骨带软骨下骨种下来，长让软骨下骨长，骨头一两个月长好了，上面靠关节液，靠底下深层的组织液营养它。这就是我们跟本来做的一模一样，有点像定子一样的，底下是软骨下骨，上面一层帽子是软骨，然后在兔子的骨上面挖一个洞，构造一个人为的缺损，这个太简单的，因为你要贴一层膜上去，缝也没法缝，弄也没办法弄，回去一掉就掉了，这个干脆像气纽一样一按，略微直径比它大一点，嵌进去就拔不出来了，固也不用固定，也不要打滴液，也不要门诊，所以就这样做了手术。我们发现这个地方几乎是没有差别的，非常好，像这个地方本来挖掉了一个洞，这个已经完全停掉了。我们看到这上面是新长出来的东西，几乎分不出来了，底下是软骨，这是不同的染色。这是做的一些分析，确确实实证明它就是软骨。这是软骨下骨的表现。，可以看到这里面断掉了。这里做了一些定量分析，确确实实可以看到它做出来这个界面上，我们可以看到它原来的软骨下骨，这当中有箭头的地方是嵌进去的地方，比较稀松，但是已经交织在一起了，它跟周围的骨头，基本上是相似的。所以组织工程化的骨头和软骨复合体能够很好地修复一些软骨缺损，这个缺损的方法就是连软骨下骨一起置换，这样就可以得到一个比较好的结果。
    所以3D打印技术和组织工程技术，我们为什么一定要把它分得那么清楚？它本身有很多的知识，像生物3D打印都有很多的知识完全可以借鉴组织工程，而把很多组织工程不足的地方，它有不能完成的地方，3D打印给它完成掉，这样就把两者融合在一起。再去做上一个活体生物反应器，就把10个礼拜的培养大大缩短到只要一两个礼拜，其他的时间都是在活体上，这个活体将来就是人，就是病人自己。这样的话，他们的异物反应就没有了，而且你做的时候可以用他的骨髓，埋在他自己身上，然后在他自己身上从东搬到西，就完成这么一个任务。所以这样一来，伦理这一关比较容易得多地得到通过。
    大概是做了这些报告，小学生，希望各位老师多加指导，谢谢！