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5种可通过3D打印的人体器官

3D打印第一次提供了让意义独立于功能、价值存在的条件,因此利于直接与生产的目的一对一精准匹配。美国《大众科学》网站在近日的报道中,为我们梳理了5个可以通过3D打印制造完成的人体器官。

耳朵:据物理学家组织网2月21日(北京时间)报道,美国康奈尔大学和威尔·康奈尔医学院的研究人员合作,利用三维(3D)打印技术和含有牛耳活细胞的凝胶造出一种新型人工耳,无论在外观还是功能上,均可与真耳相媲美。研究人员指出,这种新型生物工程替代耳可作为整形外科手术的一种方案,帮助天生小耳畸形患儿和那些因其他原因失去部分或全部耳廓的人。相关论文在线发表于2月20日出版的《公共科学图书馆·综合》上。

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威尔·康奈尔医学院生物再生医学与外科实验室主任、整形外科副教授詹森·斯佩克特介绍,通常的人工耳材料密度和泡沫聚苯乙烯差不多,质感与真耳相差较大;如果用病人的肋骨组织以手术方式重塑外耳,不仅难度大,还给病人带来很大痛苦,因此很难制成既美观又实用的人造耳。

为造出这种生物工程耳,研究人员先用快速旋转3D相机拍摄数名儿童耳朵信息,输入计算机形成3D图像,然后按照图像用3D打印机打出一个固体模子,并在其中注入一种高密度胶原蛋白凝胶,其中含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶,3个月后软骨会形成柔韧的外耳,替代最初用于塑形的胶原蛋白支架。

论文主要作者之一、生物医学工程副教授劳伦斯·伯纳萨说,设计模型只要半天时间,一天左右可打印出来,再花半个小时把凝胶注射进去,去掉模型只要15分钟,修理一下再放进营养介质中培养几天,就可用于移植了。

“用人体细胞尤其是病人的自体细胞,会减少排斥可能。”斯佩克特指出,给孩子移植生物工程耳的最佳时间是在他们五六岁的时候。如果解决了所有未来安全性和功效问题,最快在3年内,这种生物工程耳就可用于人体移植。

肾脏:美国维克森林大学的科学家成功利用3D打印技术打印人体细胞的生物可降解支架,而后利用支架培育耳朵和鼻子等仿真度极高的面部器官,例如耳朵和鼻子。利用3D打印技术培育用于移植的肺部以及其他器官是科学家的终极目标。科学家表示他们在实现这一目标道路上正不断取得进步,有望在20年内让患者移植3D打印器官的梦想成为现实。

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利用3D打印技术培育人体器官是再生医学领域的一大热门,目前正不断取得进步。借助于这项技术,科学家能够培育出仿真度极高的人造耳朵和鼻子等面部器官。随着研究的深入和技术的继续进步,他们将最终培育出可以进行移植的人造肺以及其他器官。现在,维克森林大学的3D打印机已经打印出肾脏原型。在其他一些实验室,科学家也在研究如何利用可降解支架培育人造心脏、肺部、肝脏和肾脏,让“定制移植”成为一种可能。

目前,维克森林大学的科学家正在研究各种方式,培育可进行移植的人造器官,包括对动物器官进行改造和从无到有利用患者自身细胞进行培育。他们的3D打印机使用的并非墨水,而是一种类似凝胶的生物可降解材料,通过逐层打印形成器官原型或者说器官形支架,而后利用支架培育器官。首席研究员安东尼·阿塔拉博士指出他们需要很多年的努力才能培育出能够移植到患者体内的人造器官。

在进行人造器官研究时,科学家也将目光聚焦猪的器官,希望利用人体细胞取代猪细胞,进而培育出可植入患者体内的器官。当然,最理想的方式还是利用患者自身细胞,可以通过活组织检查或者抽血的方式获取,而后将细胞“播撒”到3D打印机打印的器官形支架上进行培育。这种方式培育的人造器官能够大大降低移植后出现排斥反应的可能性。

麻生总医院的哈拉德·奥特博士认为5到10年内有望进行实验室培育器官的人体试验。匹兹堡大学麦克格万再生医学研究所的威廉·瓦格纳指出5到10年可能过于乐观,15到20年更为现实一些。一旦人体试验取得成功,患者移植人造器官的梦想便最终成为现实。

血管:在德国弗劳恩霍夫研究所的一个小组,使用3D 打印技术和一种称为多光子聚合技术,成功的打印出人造血管。

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打印时,打印机发出两束强激光,焦点对准同一分子。这个分子同时吸收两个光子,即所谓的多光子聚合。经过多光子聚合的分子变成一个有弹性的固体。这样,研究人员可以用它来制造高精度的弹性结构,也就是血管。通过这一过程打印出来的血管可以与人体组织相互“沟通”,不会遭器官排斥。打印时使用的“墨水”是生物分子与人造聚合体。

皮肤移植片:维克森林大学军事研究中心的科学家开发一种新的皮肤修复方法:利用3D打印机直接将皮肤细胞打印在烧伤创面上。这种方法远远优于传统的皮肤移植技术,因为传统皮肤移植技术需要患者正常的皮肤,而有些情况下,皮肤移植是痛苦的,并且对于全身烧伤的患者这种方法也不适用。

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维克森林大学所开发的皮肤激光扫描方式打印和改进后的喷墨打印机,或许在未来可以取代传统的皮肤移植技术。

目前这项技术已经应用在临床试验老鼠上,结果是积极的,通过3D打印皮肤细胞治疗的老鼠比没有接受治疗的老鼠治愈时间快了两个星期。

有一家荷兰公司也正在使用3D打印技术治疗烧伤创面,这家公司是SkinPrint。

骨头: 美国康涅狄格州牛津性能材料公司近日首创3D打印头骨技术,目前已有一名病人将75%的头骨替换为这种打印出来的移植组织。

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该公司的研究人员首先扫描病人的头骨,然后以聚醚酮酮为原材料,照着原先的头骨打印出新的移植组织。据了解,头骨打印可在两周内制成。该团队相信,这种技术可以用于治疗因疾病或创伤造成的头骨损坏。癌症患者、车祸受害者和受伤士兵都是目标客户群体。

该公司还打算将3D打印技术应用到身体其他部位缺失或损害的骨头上。公司总裁斯科特说:“我们公司相信,它将大大影响整形行业的所有领域……这仅仅是个开始,我们将系统地开发整个身体的骨头打印技术,争取以更低的成本向病人和其他医疗保健患者提供更好的产品。”目前,他们正准备向美国食品和药物管理局提交相关申请,以便进一步开拓市场、造福患者。

尽管3D打印机有望制造出更多的人体器官,但有科学家警告称,从人体细胞、组织乃至器
官被“打印”出来,到真正应用于临床,还有相当长的一段路要走。

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6 Oct 2013, 4:26