從3d打印心臟模型到真實心臟還有多遠(yuǎn)

3d打印即快速成型技術(shù)的一種，出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中期。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)?？蛇\用于醫(yī)療、建筑、服裝藝術(shù)、工業(yè)、文物修復(fù)、人像定制等領(lǐng)域。醫(yī)用3d技術(shù)就是將二維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維立體的影像，通過重建患者受損部位個體化信息，再將 信息傳入電腦進(jìn)行處理，隨后連接到專用3d打印機上，1：1地將患者的受損部位“打印”成仿真模型，并在此基礎(chǔ)上制定手術(shù)方案。在臨床中可進(jìn)行病情判定、 術(shù)前設(shè)計、模擬操作、假體選擇、標(biāo)本對比，使手術(shù)更加精準(zhǔn)，并有效節(jié)省了術(shù)中時間，降低了手術(shù)風(fēng)險，也能更直觀的進(jìn)行醫(yī)患溝通和輔助教學(xué)，等等。

3d打印心臟――難道3d打印技術(shù)已經(jīng)能打出一個真的活體心臟直接“裝”到人體內(nèi)了嗎？未來這項技術(shù)并不是不可能實現(xiàn)，只是要真正打印出一個跳動的活體心臟并將其連接到血管系統(tǒng)，并且確保有足夠的血液讓其存活，還是現(xiàn)階段技術(shù)突破的難點，需要走很長一段路。經(jīng)常聽到的已經(jīng)運用到臨床手術(shù)的“3d打印心臟”，目前大部分還僅限于通過3d打印技術(shù)復(fù)制患兒的心臟。雖然不是一顆“真心”，但卻可以讓醫(yī)生在術(shù)前對患兒心臟解剖結(jié)構(gòu)有一個直觀的了解，設(shè)計出更精準(zhǔn)安全的手術(shù)方案，解救更多的患者。

現(xiàn)階段各國3d打印技術(shù)在心臟外科的應(yīng)用，均屬于起步階段。tavi與常規(guī)開胸手術(shù)有很大的區(qū)別，醫(yī)生在手術(shù)中無法直視心臟全貌，更無法切開心臟觀察其內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)，因此，術(shù)前影像學(xué)評估與術(shù)中導(dǎo)航至關(guān)重要。而無論ct、mri、b超等檢查，都只能在屏幕上提供二維視野，術(shù)前主刀醫(yī)生仍需仔細(xì)研究和測算患者的心臟及主動脈影像數(shù)據(jù)，并在自己頭腦中二次加工，重建成立體構(gòu)型。3d打印技術(shù)則可將患者的二維影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成栩栩如生且實物大小的心臟模型呈現(xiàn)于醫(yī)生眼前，并可提供更多傳統(tǒng)影像學(xué)檢查難以顯示的豐富信息，從而將上述復(fù)雜過程大大簡化和標(biāo)準(zhǔn)化，使得手術(shù)更準(zhǔn)確安全。

早在2013年美國科學(xué)家利用3d打印技術(shù)打印了第一份人類的心臟模型。該心臟樣本是由塑料制成，是患有不尋常并發(fā)癥病人的心臟的精確解剖副本。華盛頓國家兒童醫(yī)學(xué)中心的兒科心臟病專家勞拉?奧利弗瑞（laura olivieri）3d打印的人類心臟耗費了25萬美元。勞拉表示心臟副本對于練習(xí)復(fù)雜手術(shù)來說是非常理想的對象，它使得手術(shù)外科醫(yī)生能夠看清他們要進(jìn)行手術(shù)的精確解剖情景。想要打印3d心臟，必須先輸入單個病人計算機控制x線體層掃描術(shù)或超聲波掃描獲得的二維數(shù)據(jù)，這使得打印機能夠逐層建立復(fù)制樣本層。國外各大醫(yī)院正在制定欲采用3d打印技術(shù)的早期計劃。如今，3d打印制造的心臟模型也為越來越多的我國患者解除病痛。近日復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院心外科課題組首次將3d打印技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換手術(shù)(tavi)，成功為一例77歲高齡的主動脈瓣重度狹窄合并關(guān)閉不全患者實施了tavi規(guī)劃與導(dǎo)航。

將3d打印技術(shù)應(yīng)用于兒童先天性復(fù)雜型心臟病的治療在國內(nèi)現(xiàn)在也已多見，去年河南省人民醫(yī)院利用3d打印技術(shù)為一名年齡僅1歲的復(fù)雜先心病患兒成功施行了先心病手術(shù)。該院兒童心臟中心的專家們以1：1的比例，打印出患兒的一個心臟模型，根據(jù)該模型專家們經(jīng)過詳細(xì)研究和論證，制定出最科學(xué)的手術(shù)方案，最終通過手術(shù)徹底矯治了該患兒復(fù)雜的心臟畸形。

因為心臟是立體結(jié)構(gòu)，單純依靠心臟彩超檢查，不能直觀地看到室缺和大動脈的關(guān)系，難以確定最科學(xué)的手術(shù)方案。近日又在3d打印技術(shù)的幫助下，一個三個月大的復(fù)雜心臟病患兒在南京兒童醫(yī)院成功進(jìn)行了首次房間隔缺損修補大手術(shù)，癥狀有了很大改善。但多發(fā)性室間缺損由于術(shù)中無法直視探查，也無法明確缺損的具體位置、大小及各缺損之間的相互關(guān)系，因此再次手術(shù)的盲目性非常大。該院用3d打印技術(shù)打印出與患兒一模一樣的3d心臟模型。該模型不僅可以觀察病變部位，且非常清楚展現(xiàn)病變部位與周圍組織的關(guān)系。專家在模型上反復(fù)練習(xí)后，近日在患兒心臟不停跳的情況下，很快運用微創(chuàng)技術(shù)對室間缺進(jìn)行了封堵。手術(shù)后一周患兒就脫離了呼吸機康復(fù)順利。

上述可知，3d打印制造心臟模型已經(jīng)不算新鮮。這種快速成型技術(shù)出現(xiàn)以來，一直以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。而3d打印真實心臟，涉及到的是3d打印技術(shù)中難度最高的一個分支――3d生物打印。

不同于普通3d打印使用的pvc塑料或金屬，生物打印使用的材料是人體細(xì)胞和粘合劑。首先需要對人體進(jìn)行ct掃描并通過計算機軟件分析結(jié)果，建立人體的心臟模型，對細(xì)胞在每層組織中的位置做詳細(xì)說明。其次再將模型進(jìn)行分離，分別打印心臟的各個部件――心臟肌肉、血管、心臟瓣膜和電組織。

首先從成年人的骨髓和脂肪中提取干細(xì)胞，通過采用不同的成長因子，將干細(xì)胞分化成不同類型的其他細(xì)胞；心臟各個部件分別由不同類型的活細(xì)胞構(gòu)成，生物打印機通過多個可以左右、前后、上下移動的生物打印頭(bioprint head)，根據(jù)模型將相應(yīng)細(xì)胞放在適當(dāng)?shù)奈恢?，直到各個部件的三維結(jié)構(gòu)完成。成功的再造器官至少由數(shù)十億不同類型的活細(xì)胞構(gòu)成，在實驗室里培植和維持細(xì)胞的生命需要特別的程序和設(shè)備，它們需要營養(yǎng)、成長元素以及其他信息的交流。

并且人體細(xì)胞極為“嬌嫩”，確保其在打印過程中成活非常困難，酸度、ph值、養(yǎng)分、二氧化碳等都對細(xì)胞的活性有很大的影響。最后，將打印成型的各部件放入孵化器中進(jìn)行培養(yǎng)，依靠細(xì)胞自身的生物發(fā)育反應(yīng)實現(xiàn)組合。細(xì)胞依靠天然的自我組織性質(zhì)連接血管，最終組合每個部件，促成心臟的發(fā)育。這是3d打印心臟的最后一個步驟，如果一切順利某一天聽到培養(yǎng)皿中傳來的跳動聲，那么人類將再次創(chuàng)造歷史！

目前人類生命科學(xué)的發(fā)展，還遠(yuǎn)不足以完成心臟3d打印這一過程。掌握生命的構(gòu)成結(jié)構(gòu)與創(chuàng)造一個活性機體之間的距離天差地遠(yuǎn)。人們對生命的認(rèn)識還很有限，生命不是細(xì)胞、血管加神經(jīng)就能簡單復(fù)制的，其中的很多聯(lián)系要比我們想象的復(fù)雜得多。更多挑戰(zhàn)在于迄今為止人類對于微觀世界的理解一直停留在二維水平。即使擁有現(xiàn)代計算機和制圖軟件，生物學(xué)家也很難從三維立體角度理解細(xì)胞與組織器官之間的相互聯(lián)系。

目前一些醫(yī)學(xué)團(tuán)隊有了一些半成功的嘗試，2014年4月美國louisville 大學(xué)的團(tuán)隊成功的打印出心臟瓣膜和小靜脈，不過目前還沒有在人體上實驗過。所以，就像人們已經(jīng)掌握了基因圖譜，但是至今也無法合成生命一樣。雖然3d打印心臟有方法了，但“革命尚未成功，同志還需努力”。不過可喜的是，我們已經(jīng)見到過很多3d打印心臟模型被用于制定手術(shù)方案的事例，這無疑為醫(yī)生和病人雙方都帶來了很大的好處。

相信隨著技術(shù)的發(fā)展、普及和相關(guān)費用的下降，3d打印在未來很可能會成為一種常規(guī)的醫(yī)療輔助技術(shù)，為更多的病人解除病痛的折磨。伴隨著“阿發(fā)狗”開拓的2016人工智能元年，越來越多的科學(xué)技術(shù)會跨越飛速進(jìn)步，相信未來的某一天3d打印真實人類臟器成為現(xiàn)實，讓我們對科技的發(fā)展多一點信心和期待。

"世界上首個人體組織3d打印心臟的重要性？

根據(jù)我從cctv獲取的資訊，“先從患者自身取出細(xì)胞，轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞，然后分化為心臟細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞”，那就是ips嘛。

當(dāng)前醫(yī)學(xué)上一大熱點，就是對“類器官（organoid）”的研究。

所謂類器官，顧名思義，是類似體內(nèi)器官的一種東西。

通過在體外培養(yǎng)器官中的各種細(xì)胞，最后形成一個類似體內(nèi)器官的細(xì)胞團(tuán)塊。

類器官用途很廣泛，至少，可以用來模擬體內(nèi)環(huán)境，對細(xì)胞在器官中的功能、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究。

如果做得精妙，甚至有望用于替代體內(nèi)器官，成為高產(chǎn)的器官來源。當(dāng)然這個目標(biāo)的達(dá)成還很遙遠(yuǎn)。

現(xiàn)在類器官的研究，主要集中在腫瘤研究中。為啥呢？因為腫瘤細(xì)胞在體外容易培養(yǎng)。

最粗糙的一種做法，就是把腫瘤塊切下來，消化成細(xì)胞懸液，過濾后碎片等后，全部放進(jìn)一個容器里進(jìn)行培養(yǎng)。在一定培養(yǎng)基和細(xì)胞因子存在的條件下，可以長成一個類似體內(nèi)腫瘤塊的組織。

而對正常組織的類器官研究，還比較難。難點在于，器官，實在太復(fù)雜。

首先是細(xì)胞成分復(fù)雜。以報道中提及的心臟為例，根據(jù)報道中描述，這次應(yīng)該只打印了血管和心肌。其實心臟不止心肌和血管兩種組織，還有神經(jīng)、脂肪和各種結(jié)締組等。每種細(xì)胞的體外培養(yǎng)條件都不同，要能調(diào)和出一個全部細(xì)胞通用的、成分清楚的環(huán)境，確實比較麻煩。目前，含有多細(xì)胞類型的復(fù)雜類器官制備方法也是類器官研究中的一大重點和難點。

第二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3d打印難。還是以心臟為例，這次3d打印心臟的一個重要突破就是較大維度的結(jié)構(gòu)被打印出來。以往的類器官體外培養(yǎng)方法，主要是給細(xì)胞營造一個適于生長的環(huán)境后，讓細(xì)胞自行聚集成團(tuán)，所有3d結(jié)構(gòu)都是細(xì)胞在體外自發(fā)形成的。這次將細(xì)胞按照一個心臟的樣式，構(gòu)建出來，需要（1）先構(gòu)建心臟的3d打印模型，（2）再使用適合細(xì)胞3d打印的噴頭，（3）在一個具有一定支撐能力的環(huán)境中進(jìn)行打印。

圖為人cerebral organoid（腦類器官）的一個成長過程?？梢婋m然科研人員期待盤子里長出來一個腦子，但是實際上長出的是一團(tuán)不規(guī)則形態(tài)的組織。
——轉(zhuǎn)自知乎博主“忠君體國董仲穎”

3D打印能不能打印出來一個人類的心臟？

近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)不斷快速發(fā)展，有更多的新發(fā)明新科技投入到生活實踐中，而我們這些普通百姓正是這其中受益者。特別是其中這些年的手機和3d打印技術(shù)，他們兩者的一個快速發(fā)展，我們有了一個新的時代體驗。而其中的3d打印技術(shù)更是做出了讓人們利用電腦就可以完成很多的一個模型制作等等實驗。3d打印的一個器官，也是現(xiàn)在很熱門的一個話題，3d打印的確是可以制造心臟的，這其中的原因有以下幾點。

一、竇房結(jié)的跳動人們可以利用電來刺激。首先我們知道普通的心臟，它們的一個跳動是通過竇房結(jié)發(fā)出的電刺激，從而讓心肌細(xì)胞得以節(jié)律性的跳動。也正如此，我們每個人能夠正常的呼吸運動，正是因為竇房結(jié)它發(fā)出的電刺激讓心臟這樣能夠正常的收縮和舒張。所以說現(xiàn)在人們可以利用電刺激來模仿其中的心臟。

二、人們對于心臟結(jié)構(gòu)有了一個很深入的了解。其次3d打印技術(shù)，它能夠合理的完成人們對它的一個技術(shù)的改變，也正是因為現(xiàn)在人們對于心臟有了更深入的了解，知道心臟它其中的一些構(gòu)成層數(shù)和構(gòu)造細(xì)胞。所以說現(xiàn)在人們能夠完成這一項技術(shù)，正因為人類對于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了突破性的發(fā)展，才可以進(jìn)行這樣的完善和大膽的嘗試。

三、3d打印技術(shù)的一個突破。還有最后一個原因就是3d打印技術(shù)，它近些年來快速發(fā)展，許多科學(xué)家們利用3d打印技術(shù)制造了許多的器官，比如說腎臟等一些器官。同時還利用山地打印技術(shù)，建造了許多高樓和模擬器具。所以說現(xiàn)在能夠完成這些操作，也正是因為科學(xué)家他們突破性對3d打印技術(shù)有了更深入的改變和機器的研究。

手工心臟模型制作過程

手工制作心臟模型的過程需要以下步驟：

1.準(zhǔn)備材料

泥土或黏土，用于制作心臟的形狀、各種顏色的粘土，用于標(biāo)記不同的部位、剪刀和刀具，用于剪裁和雕刻、色彩筆，用于添加細(xì)節(jié)和標(biāo)識、鋁箔和膠帶，用于制作心臟壁和連接部件

2.制作心室和心臟壁

使用泥土或黏土創(chuàng)建心臟的基本形狀，包括心室、心房和心臟壁。、用鋁箔覆蓋心臟壁，以使其更加牢固。添加紅色和藍(lán)色粘土到心室和心房中，以表示血液的流動。

3.制作心房和瓣膜

使用黏土創(chuàng)造心房和心臟的瓣膜。使用小刀和鉛筆在瓣膜上添加標(biāo)記。

4.完成心臟模型

將所有不同的部件連接在一起，使用膠帶固定。添加任何其他細(xì)節(jié)或標(biāo)識。完成后讓模型干燥并展示。

拓展知識：

一、手工制作心臟模型

是一種學(xué)習(xí)心臟功能和結(jié)構(gòu)的常見方法。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，三維打印技術(shù)已被用于制作更真實的心臟模型，以幫助醫(yī)生和病人更好地了解疾病和手術(shù)過程。此外，心臟模型也被用于教育和展示目的。

二、心臟模型

XM-402心臟模型是一種仿真醫(yī)學(xué)人體模型，為成人心臟模型，模型呈舒張狀態(tài)，置于支架上，可水平轉(zhuǎn)動，作兩個切面，一沿肺動脈根部作切面，露出左右心房內(nèi)部構(gòu)造，另一個沿冠狀溝下方，作心室前壁切面，示左右心室內(nèi)部構(gòu)造。

心外膜已除去，示心肌纖維走向及心渦，心臟模型用于中學(xué)生理衛(wèi)生、醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)校為講解心臟構(gòu)造時作直觀教具，有助于學(xué)生了解心臟外部形態(tài)和內(nèi)部構(gòu)造，以及出入心臟的大血管與血液循環(huán)的關(guān)系。

三、心臟的形態(tài)位置

心臟位于胸腔內(nèi)，膈肌的上方，二肺之間，大約2/3居正中線的左側(cè)，1/3居右側(cè)。心臟主要由心肌所組成的中空器官。其大小似拳頭，呈圓錐形。心臟分心尖部與心底部。

心尖向左前下方，為游離端；心底朝右后上方，與大血管（主動脈、肺動脈、腔靜脈、肺靜脈）相連，將心臟固定在胸腔中。

心臟的表面有三條淺溝。近心底處，有一環(huán)形的冠狀溝，冠狀溝將心房與心室分開。從冠狀溝發(fā)出二條縱行的淺溝，其一自心臟的前面（胸肋面）向下至心尖右側(cè)，稱前室間溝。另一自心臟的膈面向下至心尖右側(cè)稱后室間溝。

前、后室間溝是左、右心室在心表面的分界。冠狀溝和室間溝內(nèi)均有心臟的血管經(jīng)過。

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