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戴尅戎院士:3D打印在医疗上的应用没有蹩脚与高级之分

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3D打印医学应用有很多的优势,医学上有很多个P,比如说personalized个体化,、precision精准化、popularized普及化等,3D打印都能满足,并且节约了很多时间和成本。

3D打印能推动医学的发展,它可以做一些术前的规划,帮助手术做得更加的精准,使得植入到身体里面去的所谓植入物能够摆在一个恰当的地方,而且正好跟骨骼、肌肉或者是其他部位能密切贴合,同时3D打印的模型,可以帮助医生与医患进行沟通,当然它也是一个非常好的教学的工具,可以3D打印打印心脏、骨头、肌肉,各种内脏,进行手术演习、手术示范,3D打印实际上在各个方面的应用都是非常广的。

3D打印的医学产品可以大概分成四类,或者说是四个层次,这四个层次不分等级,第一个层次不蹩脚,第四个层次也不能说高级:第一,做模型做模具;第二,做内置的东西,比如做个人工关节;第三,打印人体组织,比如打印肌肉;第四,打印内脏。

为什么要分成这四个层次呢?

首先,第一个层次是体外的模型、辅具,不用放置在身体里面,对它生物相容性要求也不高,当然也不能过敏,这方面95年之后就应用广了。第二个层次是做内置物,它最重要的一点就是要有生物相容性,没有好的生物相容性的东西,绝对不能做内置物。内置物需要长期的存在在身体里面,比如打印一个关节,希望它二十年、三十年不坏,这就不存在降解的问题。第三个层次就是要降解了,打印个支架,这个支架变成了人体的骨头软骨之后,需要慢慢降解掉,让位给活性组织,所以第三个层次既要有生物相容性,又要有可以降解的功能。最后一条,打印的不单单是打印支架,同时要把细胞和调整细胞的分化的一些蛋白因子,或者是叫生长因子全部打印进去。就像做葱油饼,铺一层面粉铺一层葱铺一层芝麻,最后变成葱油饼。3D打印把材料、细胞、生长因子一层一层撒上去,就可以变成肝脏了、心脏、血管了。

3D打印让手工制造者不高兴了

第一个层次在身体外面使用。例如,手上有点扭伤或者是轻度的骨折,不需要重度治疗,只需要一个支具做相应的固定,现在仅能供应大中小三种型号,或者四五种型号。但面对的是几十万人的需求,怎么可能三种型号就解决呢?而现在用3D打印专门为这个病人生产,而且是镂空的,不会因为出汗潮湿而引起皮肤炎症,还可以带有超声波,促进骨折的愈合。再例如,一个没有假肢的病人自己设计出了号称是全世界最轻的,用料最少、最漂亮、最省钱的假肢,他很自豪自己的设计,那怎么制造出来呢?用3D打印。以后可以用3D打印做眼镜框、隐形眼镜、假眼球等很多的东西。口腔科里面的修复体、活动修复体、种植板等都可以3D打印。还可以做动手术时用的模板,指导医生的手术。

大家都很高兴,现在只有一类人不高兴,手工制造该不高兴,他们要失业了,除了少数人留下来看机器,其他人都没事干,这个是个颠覆性的革命。

医生离不开3D打印机

我有一个病患,骨盆里长了一颗很大的肿瘤,医生可以在计算机上做很多的设计模拟切除,但是拿不到手上,可以用3D打印模型,然后根据这个模型,又可以打印一个金属的假体,这个金属的植入物里面是实心的,外面是有孔的,这些孔可以让血管让纤维长入里面。在手术过程当中,怎么使切口形状跟做的植入物吻合呢?这时候就需要有一个导板,可以用3D打印做,然后把肿瘤切下来了,把植入物装上去。手术完成后病人两个礼拜就下地了。3个月他能100%下蹲,得到了良好的功能的恢复。回顾整个手术过程中,我们用3D打印做了一个模型,做了一个导板,再用3D打印做了一个假体植入他体内。也就是说这个病人的治疗全过程都用到了3D打印技术。

在经历过几次这样的病人之后,我们就感觉离不开3D打印机了,3D打印方便而且速度又快。

老鼠作为3D打印活的生命反应器

组织工程有三个要素,支架、细胞和生长因。3D打印在里面首要解决的就是打支架。举例,骨关节的表面是软骨,软骨的下面是硬骨,称为软骨下骨,软骨和硬骨之间的界面是紧紧的咬合在一起的,如果用3D打印怎么做模仿呢?就要要靠细胞自己生长了。软骨和硬骨的组织结构、力学性能完全不同。现在可以用两种不同的材料,一个材料是专门长软骨的,一个材料是专门长硬骨的,放上细胞,然后计算机辅助下它们慢慢成型,然后再把软骨跟骨头扣在一起,让它互相交织生长。生长的时间大概需要12周,在12周里要不停的更换营养液,细胞不能受到污染,一旦被就全部失败。而且在操作的时候,温度不能有过大的改变,如果有个两三度以上的改变,所有的细胞就会死掉,非常困难的,怎么办呢?动了一个脑筋,只需在体外培养两三周,然后放置在老鼠的身上, 12个礼拜之后再拿出来就成功了。老鼠就是一个活体的有生命的反应器,这个反应器能够帮助我们培养出一个关节来,在这个关节里面的软骨,完全跟真的软骨是一样的。在这里面还可以看到一些残余的用3D打印的材料,大部分材料都可以降解了。

一种激活以后就能变身的万能细胞

生物打印这个概念在2000年的时候就被提出来了,03年开始有人实现活性细胞的打印,04年有人申请了第一个细胞打印的专利,07可以用干细胞来打印。干细胞可以变成软骨,变成皮肤,变成角膜。到07年的时候就可以把基因也打进去了。现在我可以打印了一些肌肉、血管、心肌组织,心肌组织还能够跳动。

细胞是非常脆弱的,它的存活、发育、产生各种变异的可能性都是未知数,这是个难关。打印的时候有多种喷头,五种细胞五个喷头不能打错,高精度、多喷头严格的按照计算机辅助设计打印出来。所以在打印的时候先要进行设计,将含有细胞的生物墨水在生物纸上打印,最后让它在生物反应器里面慢慢繁殖、生长,最后长出一个组织来,这个就是一个打印的过程。

生物模型里面是细胞微球,一个微球里面有很多的细胞。这些微球可以两个两个拼在一起,可以五个五个拼在一起,也可以展开。这个是一个非常有意思的过程,两个细胞碰在一起后77分钟就已经连在一起了,到333分钟的时候变成一个很钝的哑铃形。最后很多细胞堆起来,变成可能是血管,可能是神经。

有人能打出一块肝组织,这块肝组织在药物试验上大有用武之地。目前,很多的药需经过大量的动物试验,再经过临床观察。如果要观察一万个病人的肝脏,要一万个病人写知情同意书,要给补贴,费用就需要几个亿。如果培养一块肝组织就可以代替人类,可这个价格要比做临床便宜多了。依此类推,可以打印脑组织等,这样每一个药物研究都可以节省上亿美元的试验经费。

最重要的还是,现在每年有大量的人在等待肝移植、肾移植、角膜移植,真正拿到到肝肾的仅为1%,99%的病患都在等着,需求量越来越高,供应量一直是低的,差距越来越大。而3D打印给了我们一线光明,能不能解决?目前,有人已经捧出了一个肾脏,实际上这个肾脏样子像,但是它还不能用。

3D打印一开始的时候首先难在打印机,这个打印机很难设计,而且很贵。但是就像做基因测序一样,最早的时候,用十几年测了一个人,现在测一个人只需要两个小时。本来用了13亿美元测一个人,现在测一个人只要两千美元,估计两年之后只要两百美元,有朝一日,估计测一个人只要二十美元测一个人的全基因。所以有朝一日3D打印得到突破。现在可能需要打印各种各样的细胞,但有人发现一种细胞,它是静止状态的,只要一激活,就可以变成肝细胞、肾细胞。这样3D打印机就不需要五个喷头,只要一个喷头,外加生长因子就行了。
像目前的药片,病人可能每天需要吃各种各样的药。如果用3D打印来制造,第一层先溶解的是什么药,第二层是什么,第三层是什么,所有要吃的药,一个药片就包含,这就是一个很好的应用。

说到底,3D打印对于我们再生医学的发展有非常深远的意义。它可能在未来几年未来几十年,完全改变再生医学的现状。

记者对话戴尅戎:

您谈到3D打印在医疗上有四个层面得应用,那么您目前所做的工作集中在哪一块呢?

3D打印技术的出现给我们医疗器械和医疗植入物的发展带来了一个很光明的前景,3它的的确确在为减轻许多病人的痛苦合挽救病人的生命方面能够起到过去其他的医疗器械和材料所不能获得的一个良好的医疗效果。我们现在所做的更多的工作更多的是刚才讲的第二个部分,给病人做一个个性化的精准的假体,像关节、骨头,移植到病人身上以弥补他本来损坏的部件,这个最早在上个世纪就已经在临床方面实现了,但直接用3D打印出来的金属假体在最近两年才出来。

最近几年,在您与3D打印相接触的过程中最明显的感触是什么?

最近这几年,我能明显感觉到关心这个事情的人多了,想要投入、实践和研究的人多了。政府也开始关心3D打印,主要体现在两个方面:首先,投入资金给予支持,其次,食品药品管理局开始来医院和企业调研,研究怎么让3D打印走向正轨,怎么在有统治、有质量保证的基础上让3D打印去为人民服务。

我们需要各个领域的人齐头并进一起来把3D打印更好地应用于医疗,今后3D打印肯定还会出现一些知识产权、仿用盗用、违规不合法的等问题,一连串所谓法律法规需要重视的事情,这些问题也应该得到相应的解决。

医疗3D打印明年会出现什么样的趋势?

2016年,医疗3D打印可能会出台一些最基本的规则,这要由国家或者地方的食品药品监督机构来发布,要出台一些常规规范供医院和3打印企业去遵循,这个是肯定的。另外非常期待的是我们国产的3D打印机和国产的材料更多的在市场上销售,并且能够逐步取代一些进口产品,这样我国医疗3D打印才有可能更健康地发展。
来自:3D打印世界


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老鼠作为活的反应容器,好创意!
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