我國(guó)每年有200萬(wàn)器官需求，但僅有1%的患者能獲得合適的供體，大部分患者因沒(méi)有合適的替換器官而失去生命。供體從何而來(lái)依然是技術(shù)和道德的雙重考驗(yàn)。生物3D打印如何實(shí)現(xiàn)活性組織與器官的按需打印，如何推動(dòng)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展?

賀健康 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金獲得者，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物材料先進(jìn)制造分會(huì)常務(wù)委員

1生物3D打印——實(shí)現(xiàn)組織與器官制造的利器

生命與健康是人類(lèi)永恒的追求，今天的人們希望通過(guò)更換病變組織與器官提高生命質(zhì)量，例如人工組織置換、活體組織與器官移植等。

目前，一些簡(jiǎn)單的替換產(chǎn)品已經(jīng)投入醫(yī)院使用，但復(fù)雜組織(如器官)并不是簡(jiǎn)單替換就可以的，需要具有一定功能。國(guó)內(nèi)每年有200萬(wàn)器官需求，但僅有1%的患者能獲得合適的供體，大部分患者因?yàn)闆](méi)有合適的替換器官而失去生命，因而產(chǎn)生器官買(mǎi)賣(mài)這種不道德的現(xiàn)象。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類(lèi)對(duì)健康的追求，器官需求會(huì)進(jìn)一步增大，根本的出路是人工制造組織與器官。

生物3D打印是實(shí)現(xiàn)組織與器官制造的利器，可以個(gè)性化定制人工假體。一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的愿景是實(shí)現(xiàn)活性組織與器官的按需打印。美國(guó)《時(shí)代周刊》評(píng)論細(xì)胞打印為2010年50大最佳發(fā)明之一。

2生物3D打印現(xiàn)狀

醫(yī)學(xué)應(yīng)用概況

生物3D打印隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)從非生物相容性到生物相容性、從不可降解到可降解、從非活性到活性的過(guò)程。

最早大家關(guān)注的是體外醫(yī)療模型與器具。因?yàn)檫@種模型只在體外使用，不放入體內(nèi)，進(jìn)入醫(yī)院使用的門(mén)檻非常低。隨著技術(shù)的發(fā)展，個(gè)性化假體與內(nèi)置物產(chǎn)生，可以進(jìn)入體內(nèi)替代病變或缺損的組織。目前這兩部分已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。

可降解組織工程支架可以慢慢降解變成人體自身的組織，不再是一成不變的金屬假體，目前仍在臨床試驗(yàn)階段。活性組織與器官打印還在研發(fā)階段。

醫(yī)療模型

醫(yī)生以前是通過(guò)影像判斷制定手術(shù)方案，現(xiàn)在可以通過(guò)實(shí)體模型，在體外做模擬實(shí)驗(yàn)，研討定制手術(shù)方案。

在做腫瘤切除時(shí)，尤其對(duì)于重大器官，血管損傷是致命的。軟質(zhì)醫(yī)療模型可以清晰的看到血管，從而幫助醫(yī)生清楚的知道病人的狀況，并在體外切割，進(jìn)行手術(shù)前演練與優(yōu)化。

除了模型，還有測(cè)試系統(tǒng)。比如3D打印心血管功能測(cè)試系統(tǒng)，可以通過(guò)電路控制血液流速和血壓波動(dòng)，從而模擬人體的血流情況。

個(gè)性化導(dǎo)航器具

醫(yī)生進(jìn)行個(gè)性化假體手術(shù)時(shí)，很難精確做到按照假體的設(shè)計(jì)進(jìn)行切割，個(gè)性化導(dǎo)航模板可以幫助醫(yī)生準(zhǔn)確的確定手術(shù)方向。典型的個(gè)性化導(dǎo)航器具有：脊柱個(gè)體化導(dǎo)航模板、髓芯減壓個(gè)體化導(dǎo)航模板、個(gè)體化骨折外固定器。其中，個(gè)體化骨折外固定器集成了導(dǎo)航和康復(fù)功能，手術(shù)時(shí)間能縮短80%，骨折愈合時(shí)間縮短33%-45%。

可降解支架

3D打印除了可以制作模型外，還可以打印植入物。但即使定制與人體精準(zhǔn)匹配的個(gè)性化假體，最終假體的作用還是會(huì)失效，只是時(shí)間問(wèn)題。因?yàn)槿梭w骨骼會(huì)隨年齡增長(zhǎng)發(fā)生變化，但是金屬材料不會(huì)隨時(shí)間變化。因此產(chǎn)生了生物可降解組織工程支架。

可降解支架初期還是起到支撐作用，但其會(huì)隨著人體的變化而變化，慢慢降解轉(zhuǎn)變成自己的組織。2013年曾報(bào)道過(guò)一例，3D打印氣管支架在嬰兒體內(nèi)成活，代表著可降解支架正慢慢應(yīng)用于臨床。

器官打印

活性組織與器官3D打印是將細(xì)胞和材料混合著打印，把細(xì)胞作為“生物墨水”噴涂到凝膠支架上，隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)，慢慢變成一個(gè)真實(shí)的組織。這是材料、細(xì)胞、結(jié)構(gòu)一體化成形的過(guò)程。

2010年，美國(guó)的Organovo公司和澳大利亞的Invetech公司攜手研制出世界上第一臺(tái)商業(yè)化細(xì)胞打印機(jī)。

目前活性組織與器官打印仍在研究層面，但在應(yīng)用層面也展開(kāi)了不同的探索。例如利用打印的體外三維組織模型進(jìn)行新藥測(cè)試。

3總結(jié)與建議

雖然現(xiàn)在受產(chǎn)業(yè)化和國(guó)家政策方面的限制，但3D打印在制造人體內(nèi)植物方面依然有光輝前景，因?yàn)樯?D打印對(duì)精準(zhǔn)化醫(yī)療是真實(shí)有效的。

醫(yī)院永遠(yuǎn)是生物3D打印的主體，只有從醫(yī)生的需求出發(fā)才是真實(shí)有用的。許多醫(yī)療器械企業(yè)看到3D打印技術(shù)蘊(yùn)含的巨大前景，但如何提升核心技術(shù)水平和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力是急需考慮的問(wèn)題。

對(duì)假體制造來(lái)說(shuō)，基于醫(yī)學(xué)原理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，結(jié)合力學(xué)原理設(shè)計(jì)，能夠提升3D打印快速定制化制造，應(yīng)用于臨床的定制化治療。對(duì)于人體的某些組織來(lái)說(shuō)，可降解替代物是最好的選擇，會(huì)成為未來(lái)十年重要的發(fā)展趨勢(shì)。 

針對(duì)社會(huì)缺乏設(shè)計(jì)人才的現(xiàn)狀，高校作為人才支撐點(diǎn)，要培養(yǎng)醫(yī)學(xué)與工程交叉型人才，同時(shí)進(jìn)行深入的基礎(chǔ)研究與交叉學(xué)科研究。未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)需要政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、金的通力合作，才能將生物3D打印做大做強(qiáng)。