登录    |    注册

您好,欢迎来到中国测试科技资讯平台!

首页>科技情报>3D打印在医学领域的“黑科技”应用

3D打印在医学领域的“黑科技”应用

2099    2020-09-10    发布者:中国测试杂志社    来源:知乎

免费

资料售价

丁香园和 《科学世界》杂志都提到了医学界近年来一些让人啧啧称好的黑科技。从代替缝线的胶水到基因疗法生成皮肤,新技术层出不穷。从实验室到临床实验,这些黑科技的研发通常都经过了十多年,甚至数十年。作为材料专家,我们想在这里也与大家分享两种未来将在医疗领域大放光彩的黑科技:3D打印器官和可以在人体降解的大分子材料。

3D打印的人体器官听起来可能还有一点儿“科幻”的色彩,但毕竟3D打印技术已经发展多年了,大家也对它也已经有了大概的概念,关注生命科学的各位可能还看到过不少类似的新闻,但请注意:现在宣称实现了3D打印器官的,都在瞎吹——这些所谓的3D打印器官不是“活”的,也就是说根本无法达到移植的需求。这和现阶段3D打印出来的汉堡,不会有人拿来吃是一个道理。

几十年来,科学家们曾一度努力尝试在实验室里培育人造器官,其好处不言而喻:诱导病人的自体细胞进行分化,可以最大程度减少器官移植中的排斥反应。结构相对简单的器官,比如气管就是比较成功的例子。

但是我们常常听到的“成功培育”,都有赚眼球之嫌。所谓的“成功从干细胞培养出肝脏”,甚至培育眼球,都只是徒有其表。不论使用何种培育方法,实验室培育人造器官移植以来面临的最大的问题之一就是缺少血管。因此,种种“成功”案例并不意味着这些器官可以用于移植手术——器官中布满了血管,每个细胞距离最近的血管大概只有200微米的距离,没有这些输送供给的管道,器官怎么可能有生命呢?

号称3D打印出了肾的Anthony Atala还上了TED Talk

近几年3D打印的发展,让我们距离制造“活”的器官越来越近了——从几毫米直径的动脉血管到纳米级别的毛细血管,都可以借助3D打印进行培育了。

哈佛大学的科学家们已经找到了用3D打印血管的方法。这些管道被包围在一块像果冻一样的水凝胶材质中,像是一块叶脉标本,是不是很漂亮?这块水凝胶就像是细胞基质,它的化学性质和物理性质非常类似于天然的细胞环境,也是构成“打印”环境的好材料。生物墨水构成“管道”,嵌在细胞基质中。最后,凝胶材质被“吸”走,只留下这些管道。构成血管的细胞可以通过培养,在管道中被培养成血管。

默克近年来也在研究3D打印新材料。对我们来说,3D打印材料在生命科学领域的发展大概分为三个阶段:传统材料,高级生物材料,真正的Bioprinting。

我们现在处于第一阶段,也就是只能利用3D打印做一些结构,但它们的功能性也不强;

第二阶段,我们将有比较成熟的技术,利用3D打印做非细胞级别,但有一定功能的材料,比如各种骨和支架;

第三阶段,真正的Bioprinting让我们在细胞级别进行“打印”,造出真正能用的“活”器官。当然,这里的打印不是打印细胞,而是打印一个让细胞可以成长的骨架,给细胞提供营养,同时让细胞们按照骨架长成我们想要的样子。要到达这一步,“生物墨水”的研发非常关键。不妨关注默克的3D打印材料,了解更多生物墨水的发展进程。

说了这么多3D打印器官的发展状况,或许你要叹息,可能在很长一段时间内有需要的病人依旧只能经历器官移植的漫长等待,而无法指望3D打印器官。不过所有科学的进步都需要给它时间,有仍需等待的,也有已经“守得云开见月明”的了,我们还想介绍一种黑科技就已经投入临床使用了——它就是应用广泛的可降解大分子材料。一个例子总结它的“卖点”就是——以后伤筋动骨,愈合可能就耗费不了一百天了,大家可以加速回归欢蹦乱跳模式。

听起来是不是很像在推销某种“神药”?并不,其实这项黑科技的核心是一种可以在人体内达到可控降解的大分子材料。靠它能加速骨头愈合?不,它的关键作用其实是做好药物在体内的“搬运工”。

这个搬运工非常“智能”,根据不同药物的特性,与患者的需求,它可以在患者体内逐步释放药物,并在释放完成后进行自我催化降解。一般情况下,我们若伤了筋骨,只能慢慢等待骨长好。但这种神奇的大分子“搬运工”可以将促进骨生成的骨形态发生蛋白II搬运到受伤部位,促进骨更快生成。这里也小小科普一下骨形态发生蛋白II是啥。这么长的名字,乍一看特别晦涩,其实它一直存在于我们的身体里,在骨头愈合上它可是头号功臣,负责诱导动物或人体间的充质细胞分化为骨、软骨、韧带、肌腱和神经组织。六十年代科学家们就 已经发现了它的“隐藏技能”,历经几十年的研究和实验,现在它已经逐渐运用于临床治疗,通过皮下注射,作为辅助手段促进骨的生长。

不过需要澄清的是,我们这里所说的骨生长主要是指一些骨科疾病(如骨折、骨缺损、骨不连等)的治疗和愈合。是的,助力骨骼二次发育,让我们变身 “腿精”的黑科技还未被唤醒,让我们继续诚挚期盼。

此类可体内降解的药物“搬运”系统其实有很多用途,还能用于运送疫苗,或者制成包衣、植入体、纳米微粒或者纳米胶囊,运送相应的药物。疫苗可以少打几回,药也不会忘记吃了,将大大减轻病人的负担。

类似的材料还可以制成手术用的可降解缝线。经历过术后拆线的人估计都不想再记起当时的感受,而可降解的缝线对于手 术病人来说可谓是“人类之光”。

只是,曾几何时,最常见的可降解缝线由羊肠(和包裹香肠的材料一样)制成。据记载,爱丁堡的医疗用品公司Ethicon历史上曾一度平均每天用掉26000只羊的羊肠,才能满足手术需求(羊羊这么可爱,怎么可以……)。但是与合成材料相比,羊肠虽然可以被人体吸收,但受细菌感染的几率也很高。人工合成的可降解材料被发明后,不知道有没有影响羊肠在国际市场上的价格?

虽说这些黑科技看起来离我们的生活已经很近了,但它们最终落地到广泛临床应用的层面,都还有很远的路要走。就拿药物传送系统来说,现在虽然已有临床应用,但价格极其昂贵;3D打印器官要走的路就更远了——要实现器官的完整功能,就需要打印出能同时培养不同功能细胞的生物墨水……回到“黑科技”的话题。黑科技不仅很酷,还是科学家们从黑暗中一点点摸索出来的。感谢这些让人类的生活更加光明的黑科技,以及它们背后辛勤的科研工作者们。



免责声明

(1)本网转载或来自其他发布者(非中国测试杂志社)的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或和对其真实性负责,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。

(2)如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。