盤點3D打印器官在醫(yī)療中的十大應(yīng)用
時間：2016-08-20 22:14 來源：未知 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
伴隨著科技的發(fā)展，器官移植成為越來越多臟器衰竭，惡性腫瘤患者生存的希望，但供體不足，一直困擾著患者和醫(yī)生。因此地下器官交易，黑市交易器官猖獗。中國政府對新型器官移植技術(shù)也非常的重視。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。
1.3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展
3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)迅速的發(fā)展，與國際水平相比上下。徐銘恩團隊來自杭州電子科技大學自主研發(fā)出一臺生物材料3d打印機，較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等現(xiàn)已在這臺打印機上成功打印出。該研究成果被國際最具有影響力的期刊Biomaterials評為2012年在3D打印人造器官領(lǐng)域的最高水平。Hsieh等為中國臺北國立臺灣大學分子科學與工程學院的，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用是利用溫敏生物材料載神經(jīng)干細胞結(jié)合3D打印人造器官技術(shù)。清華大學徐弢等打印了動物心臟，是利用心肌細胞和生物材料模擬。發(fā)現(xiàn)打印出的細胞能夠有節(jié)奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細胞進行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。除此之外，千人計劃國家特聘�？翟＝▓F隊利用Rollovesseller3D打印平臺，將含有種子細胞、生長因子和營養(yǎng)成分等組成的“生物墨汁”，其他材料結(jié)合層層打印出產(chǎn)品，打印經(jīng)培育處理后，形成組織結(jié)構(gòu)并具有生理功能;同時，發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物的專利，即一種新型的精準的具有仿生功能的干細胞培養(yǎng)體系。國內(nèi)3D打印人造器官技術(shù)快速的發(fā)展，已在細胞、器官、醫(yī)療植入體等不同領(lǐng)域應(yīng)用而生。
2.3D打印人造器官技術(shù)取得的成就
目前，由3D打印人造器官技術(shù)打印出來的器官組織，會存在結(jié)構(gòu)上非常不穩(wěn)定、過于脆弱的缺點，無法用于外科移植手術(shù)。并且這些成品缺乏血管構(gòu)造、尺寸也偏小，即便移植，器官也不容易獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，很難存活。
就上述存在的缺點，美國韋克福雷斯特大學再生醫(yī)學學院的研究團隊改進了現(xiàn)有3D打印人造器官技術(shù)，開發(fā)出“組織和器官集成打印系統(tǒng)”(ITOP)。這一新開發(fā)的3D打印人造器官系統(tǒng)，可將含有活性人體或動物細胞的水基凝膠與可生物降解的聚合材料結(jié)合作為打印材料，有助于人造器官形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這一系統(tǒng)還能在人造器官中打印出許多類似血管的微小通道。器官組織移植到動物身上后，可通過這些通道獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，這是保證器官移植后存活的關(guān)鍵。一段時間后，血管會逐漸在人造器官中生長，取代微型通道。
為驗證效果，研究人員將打印的人造耳朵、肌肉纖維和顎骨移植到小鼠身上。一段時間后，這些人造器官組織都成功存活下來，并長出了血管和神經(jīng)等結(jié)構(gòu)。器官移植報告作者之一、韋克福雷斯特大學再生醫(yī)學學院學者安東尼·阿塔拉說，將兩種材料結(jié)合的打印過程以及組織結(jié)構(gòu)中的微小通道，為人造器官中的細胞存活、組織生長提供了適當環(huán)境。ITOP的另一個優(yōu)勢是，能夠通過計算機斷層掃描及核磁共振成像技術(shù)為患者“量身定制”要移植的器官組織。比如一個患者需要接受耳朵移植，這一系統(tǒng)能夠根據(jù)成像數(shù)據(jù)打印出尺寸合適的人造耳朵供移植。
近些年，隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，器官移植所面臨的難題有可能被解決的。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀90年代中期，實際是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置，是基于計算機三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印的一種新興應(yīng)用技術(shù)。3D打印人造器官是以3D打印為基礎(chǔ)的以活細胞為原料打印活體組織的一種技術(shù)。研究表明，3D打印人造器官可以以自身的成體干細胞經(jīng)體外誘導分化而來的活細胞為原料，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，因而將失去功能的器官或組織替換，某些程度上這就解決了移植供體不足問題。所以，3D打印人造器官已在器官移植領(lǐng)域獲得了一定的成果，在骨骼、人造血管、皮膚、血管夾板、心臟組織和軟骨質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用而生。但3D打印人造器官技術(shù)仍然存在著一系列的技術(shù)問題及安全問題。
3D打印人造器官技術(shù)在國外的發(fā)展
3D打印人造器官技術(shù)，目前在國外快速的發(fā)展，使得制造、生物科學等方面的科研人員重視。韓國浦項科技大學的 Lee等，2009年使用微型SLA 技術(shù)在生物制造領(lǐng)域生產(chǎn)組織支架。英國諾丁漢大學教授Sawkins等制造出機械性強度的結(jié)構(gòu)用于骨修復(fù)利用細胞和蛋白兼容3D 打印人造器官技術(shù)。哈佛大學工程與應(yīng)用學院教授Kolesky等，構(gòu)造出異構(gòu)細胞結(jié)構(gòu)的血管基于生物3D打印技術(shù)。美國大力推動3D打印人造器官技術(shù)的研發(fā)，如：三維乳房癌組織測試系統(tǒng)的研究、細胞打印應(yīng)用于創(chuàng)面修復(fù)的研究、基于細胞組裝的集成微肝臟模擬壯志的研究等。麻省理工學院(MIT)、美國德雷賽爾大學(Drexel)等研究機構(gòu)在細胞3D打印、器官打印等領(lǐng)域?qū)ｍ椦芯俊２糠轴t(yī)療研究機構(gòu)及公司利用3D打印人造器官技術(shù)打印出動脈、心肌組織、肺臟、腎臟等人體器官。Lee科研組制備了3D打印水凝膠管道模型，內(nèi)徑為1 mm，形成了微血管床成功誘導周圍毛細血管。Koch等，研究證實了3D打印技術(shù)用于皮膚組織再生的可行性，將負載成纖維細胞與角化細胞的膠原為原料。1.3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展
3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)迅速的發(fā)展，與國際水平相比上下。徐銘恩團隊來自杭州電子科技大學自主研發(fā)出一臺生物材料3d打印機，較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等現(xiàn)已在這臺打印機上成功打印出。該研究成果被國際最具有影響力的期刊Biomaterials評為2012年在3D打印人造器官領(lǐng)域的最高水平。Hsieh等為中國臺北國立臺灣大學分子科學與工程學院的，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用是利用溫敏生物材料載神經(jīng)干細胞結(jié)合3D打印人造器官技術(shù)。清華大學徐弢等打印了動物心臟，是利用心肌細胞和生物材料模擬。發(fā)現(xiàn)打印出的細胞能夠有節(jié)奏地跳動，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細胞進行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。除此之外，千人計劃國家特聘�？翟＝▓F隊利用Rollovesseller3D打印平臺，將含有種子細胞、生長因子和營養(yǎng)成分等組成的“生物墨汁”，其他材料結(jié)合層層打印出產(chǎn)品，打印經(jīng)培育處理后，形成組織結(jié)構(gòu)并具有生理功能;同時，發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物的專利，即一種新型的精準的具有仿生功能的干細胞培養(yǎng)體系。國內(nèi)3D打印人造器官技術(shù)快速的發(fā)展，已在細胞、器官、醫(yī)療植入體等不同領(lǐng)域應(yīng)用而生。
2.3D打印人造器官技術(shù)取得的成就
目前，由3D打印人造器官技術(shù)打印出來的器官組織，會存在結(jié)構(gòu)上非常不穩(wěn)定、過于脆弱的缺點，無法用于外科移植手術(shù)。并且這些成品缺乏血管構(gòu)造、尺寸也偏小，即便移植，器官也不容易獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，很難存活。
就上述存在的缺點，美國韋克福雷斯特大學再生醫(yī)學學院的研究團隊改進了現(xiàn)有3D打印人造器官技術(shù)，開發(fā)出“組織和器官集成打印系統(tǒng)”(ITOP)。這一新開發(fā)的3D打印人造器官系統(tǒng)，可將含有活性人體或動物細胞的水基凝膠與可生物降解的聚合材料結(jié)合作為打印材料，有助于人造器官形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這一系統(tǒng)還能在人造器官中打印出許多類似血管的微小通道。器官組織移植到動物身上后，可通過這些通道獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，這是保證器官移植后存活的關(guān)鍵。一段時間后，血管會逐漸在人造器官中生長，取代微型通道。
為驗證效果，研究人員將打印的人造耳朵、肌肉纖維和顎骨移植到小鼠身上。一段時間后，這些人造器官組織都成功存活下來，并長出了血管和神經(jīng)等結(jié)構(gòu)。器官移植報告作者之一、韋克福雷斯特大學再生醫(yī)學學院學者安東尼·阿塔拉說，將兩種材料結(jié)合的打印過程以及組織結(jié)構(gòu)中的微小通道，為人造器官中的細胞存活、組織生長提供了適當環(huán)境。ITOP的另一個優(yōu)勢是，能夠通過計算機斷層掃描及核磁共振成像技術(shù)為患者“量身定制”要移植的器官組織。比如一個患者需要接受耳朵移植，這一系統(tǒng)能夠根據(jù)成像數(shù)據(jù)打印出尺寸合適的人造耳朵供移植。
研究人員說，他們在試驗中使用過人類細胞及兔子、老鼠等動物的細胞進行人造器官組織打印，都取得了不錯的效果。目前，這項技術(shù)還處于早期試驗階段，需進一步改善，以便未來能用患者的細胞打印出真正可用于外科移植手術(shù)的人造器官。
(責任編輯：admin)
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