日本研究使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)血管等復(fù)雜組織

日本研究使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)血管等復(fù)雜組織

2016年07月26日訊 目前，在再生醫(yī)療領(lǐng)域，日本多家科研機(jī)構(gòu)在研究使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)血管等復(fù)雜組織。佐賀大學(xué)將iPS細(xì)胞（人體誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞）培育出的細(xì)胞群打印成管狀結(jié)構(gòu)，制成血管。京都大學(xué)利用3D打印技術(shù)制成包裹著神經(jīng)的筒狀組織，并將其移植到實(shí)驗(yàn)鼠身上，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)的再生。日本政府預(yù)計(jì)到2020年前后，iPS細(xì)胞將可用于治療心臟病等疾病，正在加緊掌握與人體組織形狀相近的人造立體組織移植技術(shù)。

iPS細(xì)胞不僅被用于治療眼部的疑難病癥，未來還可能被用于治療心力衰竭和脊髓損傷。在培育用于移植治療的長(zhǎng)血管和立體內(nèi)臟時(shí)，管狀和袋狀的組織結(jié)構(gòu)常需要使用很多細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，既然3D打印技術(shù)的原理是層層疊加樹脂材料打印成立體作品，如果用細(xì)胞代替樹脂，也可以打印出立體的組織。

佐賀大學(xué)教授森田茂樹的研究團(tuán)隊(duì)將人類iPS細(xì)胞培養(yǎng)出可發(fā)育成血管的細(xì)胞群，并在多排細(xì)針組成陣列的微型基座上層層串起細(xì)胞，最后打印出長(zhǎng)2厘米，直徑5毫米的管狀結(jié)構(gòu)。

將管狀結(jié)構(gòu)細(xì)胞從細(xì)針上取下，內(nèi)部使用培養(yǎng)液貫穿。數(shù)天后分化成不同種類的細(xì)胞會(huì)在內(nèi)壁形成細(xì)胞層，最終形成血管。今后將在豬身上進(jìn)行血管移植實(shí)驗(yàn)。

該研究使用了發(fā)源于九州大學(xué)的新創(chuàng)企業(yè)Cyfuse與澀谷工業(yè)合作研發(fā)的“Bio3D打印機(jī)”。

目前有一種治療心肌梗塞的方法是摘取患者的其他血管來替代被淤塞血管。但這種方法對(duì)人體會(huì)造成很大的負(fù)擔(dān)，使用人工血管容易造成再次淤塞，因此人們對(duì)iPS細(xì)胞制成的血管期待很高。

京都大學(xué)副教授池口良輔的研究團(tuán)隊(duì)使用可分化成皮膚等組織的細(xì)胞，制成長(zhǎng)8毫米，直徑3毫米的管狀結(jié)構(gòu)。將其移植到被切除部分神經(jīng)的實(shí)驗(yàn)鼠的創(chuàng)口處，8周后管內(nèi)產(chǎn)生了神經(jīng)連接，老鼠恢復(fù)行走能力?？梢姡矤顦?gòu)造可培育長(zhǎng)成神經(jīng)的細(xì)胞，促進(jìn)神經(jīng)再生。計(jì)劃3年后將該技術(shù)投入臨床研究階段。

3D打印和新材料

新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。應(yīng)用于醫(yī)療器械中正在研發(fā)、性能超群的材料，比傳統(tǒng)材料擁有更優(yōu)異的性能。

3D打印真的能打印血管，制造“活皮膚嗎?

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用日益增多。3D打印假體、人工骨骼等，以及3D打印藥丸，這些新產(chǎn)品的誕生為患者盡快恢復(fù)健康創(chuàng)造了更多的可能性。近年來，越來越多的研究者將3D打印皮膚作為一個(gè)新的研究方向，并取得了很大的進(jìn)展。

皮膚移植是外科治療中修復(fù)受損皮膚的主要方法之一。及時(shí)有效的傷口閉合一直是嚴(yán)重?zé)齻颊吲R床治療的難題。探索相應(yīng)的皮膚移植技術(shù)是燒傷醫(yī)學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。目前，皮膚移植的臨床治療可以加速受損皮膚的愈合，但不可避免的是，覆蓋受損皮膚表面的層仍會(huì)脫落，其中大部分是“去東墻補(bǔ)西墻”的治療方法。移植的皮膚不能很好地與宿主細(xì)胞結(jié)合，這也是燒傷科和整形外科目前面臨的一個(gè)大問題。受損皮膚的傷口表面如何更好地安裝植入物？這項(xiàng)新的研究可能會(huì)有答案。

倫斯勒理工學(xué)院的研究人員使用3D打印技術(shù)對(duì)完整的血管活性皮膚進(jìn)行生物打印。這項(xiàng)研究的結(jié)果是為人類創(chuàng)造更自然的皮膚移植方法的重要一步，人類移植排斥(影響移植物存活的主要因素之一)也有望得到改善。

然而，研究小組目前取得的成果不能完全稱為成熟技術(shù)，但卻是可行的。如果這項(xiàng)技術(shù)要達(dá)到臨床可用的水平，研究人員還需要進(jìn)一步努力。當(dāng)前版本的3D打印技術(shù)需要使用CRISPR技術(shù)進(jìn)行基因編輯，以修飾供體細(xì)胞，從而整合血管并被患者身體接受。

在短期內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)可以用來幫助壓力性潰瘍或糖尿病患者。對(duì)于壓力性潰瘍患者來說，3D打印活性皮膚無疑是最完美的解決方案。潰瘍通常發(fā)生在身體的不同部位，可以用小片皮膚來治療。對(duì)于糖尿病患者來說，傷口愈合時(shí)間通常比正常健康人長(zhǎng)，因此這種技術(shù)也有助于加速傷口愈合。

然而，對(duì)于那些嚴(yán)重?zé)齻蜖C傷的患者，使用這種技術(shù)進(jìn)行皮膚移植可能需要一些時(shí)間。這些損傷通常會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)和血管末梢的喪失。將3D打印的皮膚轉(zhuǎn)移到這些受損組織更為復(fù)雜，因此研究團(tuán)隊(duì)必須克服困難。

人體內(nèi)包含的各種“管道”網(wǎng)絡(luò)就像搬運(yùn)工。它們給我們的器官帶來各種營(yíng)養(yǎng)，并從器官中清除廢物。從3D打印技術(shù)的角度來看，這些網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，難以完美再現(xiàn)。然而，從動(dòng)物試驗(yàn)到臨床應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。我們期望并想象這種先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)在未來能讓更多的病人受益。

3D打印可以創(chuàng)造出一個(gè)活人嗎？

理論上可以，但現(xiàn)階段的3D打印技術(shù)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這一設(shè)想，要等到未來的某一天，技術(shù)發(fā)展成熟，才有可能實(shí)現(xiàn)。

以幾個(gè)例子來試圖管中窺豹。

在英國(guó)《自然?通訊》雜志，曾發(fā)表過一項(xiàng)技術(shù)成果，通過3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)出來了功能正常的可移植卵巢。在生理上，該打印成果支持懷孕，不過只能運(yùn)用在小鼠身上。

2019年，以色列的研究團(tuán)隊(duì)，通過病人身上的軟組織作為原材料，通過3D打印技術(shù)，成功打印出心臟，該心臟具有細(xì)胞、血管、心室和心房等同真實(shí)心臟相媲美的精細(xì)結(jié)構(gòu)，還擁有血管等精細(xì)軟組織，更重要的是具有搏動(dòng)功能，雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能運(yùn)用在人體身上。屬于全球首例，通過3D打印技術(shù)進(jìn)行軟組織打印。

國(guó)外媒體亦報(bào)道稱，將?仿生皮膚?打印在機(jī)器人身上，用來產(chǎn)生觸覺并感知世界。這樣的技術(shù)，會(huì)在將來的某一天實(shí)現(xiàn)。

雖然通過現(xiàn)有的技術(shù)，只能打印單一的硬組織亦或是軟組織，還無法運(yùn)用在實(shí)際情況當(dāng)中。而且人體內(nèi)的細(xì)胞就足足有六十萬億，看起來難度很大。但是歷史是一直螺旋上升的，將來的某一天一定會(huì)是科技大爆炸，那么通過3D打印技術(shù)，創(chuàng)造出一個(gè)活人并不會(huì)是一個(gè)很難的問題。

但是如果真有那么一天，那么道德問題勢(shì)必會(huì)是一座大山橫立在真實(shí)人類和人造人類之間。但那時(shí)候會(huì)在什么時(shí)候到來，仍未可知。科技永遠(yuǎn)是一把雙刃劍，善加利用，對(duì)人類有著無窮裨益，但不好好使用，則會(huì)產(chǎn)生不可估量的災(zāi)難。而那時(shí)，精神乃至于個(gè)體都會(huì)被強(qiáng)烈沖擊，形成多年的哲學(xué)等構(gòu)建人類社會(huì)的學(xué)問會(huì)頃刻間瓦解然后重組，更會(huì)有難以想象的問題出現(xiàn)。

3d打印機(jī)在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展前景是怎么樣的呢？

利用光固化技術(shù)，可以在精確控制的光照條件下固化感光聚合物形成結(jié)構(gòu)。光固化3d打印機(jī)應(yīng)用行業(yè)不僅出現(xiàn)在化工、材料等領(lǐng)域，現(xiàn)代應(yīng)用主要集中在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

應(yīng)用案例：

光固化印刷技術(shù)可以制造更多的組織器官。這里有一些典型的例子。

軟骨頭：

在臨床治療中，軟骨缺損的修復(fù)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。美國(guó)俄克拉荷大學(xué)和華南理工大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種新的雙層水凝膠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與納米盒相結(jié)合，能有效修復(fù)骨骼和軟骨的缺陷。

創(chuàng)傷修復(fù)

來自芬蘭奧布研究所大學(xué)和澳大利亞伍倫貢大學(xué)的研究者使用納米纖維和生物印花油墨。用鈣離子與紫外光交聯(lián)，低濃度生物墨水可印刷成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高的三維生物支架。該打印支架對(duì)3T3成纖維細(xì)胞無細(xì)胞毒性和生物相容性，可促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖。該研究為創(chuàng)傷愈合提供了潛在的應(yīng)用前景。

心臟瓣膜

生物3d打印技術(shù)可以制備出解剖上精確的、具有異質(zhì)機(jī)械特性且?guī)в屑?xì)胞的工程瓣膜。這是一種理想的可與病人組織聯(lián)合生長(zhǎng)的工程化瓣膜，可作為活體瓣膜的替代品，用于未來的治療。

未來展望

除上述領(lǐng)域外，光固化3d打印機(jī)應(yīng)用行業(yè)還包括神經(jīng)生物學(xué)、血管、皮膚、角膜組織和器官芯片的研究。它已經(jīng)成為3d生物打印過程中一個(gè)不可忽略的重要技術(shù)。

科學(xué)家用3D打印技術(shù)打造出會(huì)呼吸的人造器官，可否移植到人類身體？

科學(xué)家用3D打印出來的器官可以工作，但是由于技術(shù)不成熟，現(xiàn)在還不可以移植到人類身上，這樣做，現(xiàn)在還處于初級(jí)階段，相信總有一天科學(xué)家可以將這一技術(shù)發(fā)展的更好。

在各種模型中，研究人員已經(jīng)驗(yàn)證了這種3D打印系統(tǒng)的可行性。他們發(fā)現(xiàn)打印的“血管結(jié)構(gòu)”本身具有足夠的硬度，不會(huì)因?yàn)檠鞫屏?。此外，它能?jīng)受住吸氣和呼氣的模擬。在測(cè)試中，研究人員高興地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅細(xì)胞流過系統(tǒng)打印的“血管”時(shí)，他們可以有效地從呼吸的“肺”中獲取氧氣，這與肺泡附近的氧氣交換相同。

在3D打印的肝組織中，研究人員植入原代肝細(xì)胞，并將其植入慢性肝損傷小鼠體內(nèi)。研究表明，這些肝細(xì)胞也能在體內(nèi)存活，這表明所產(chǎn)生的血管能有效地向這些細(xì)胞輸送營(yíng)養(yǎng)。

“由于現(xiàn)存的瓶頸，組織工程在我們這一代幾乎沒有取得什么進(jìn)展，”這項(xiàng)研究的另一位研究員凱里·史蒂文斯教授說?！斑@項(xiàng)工作可以幫助我們更好地理解，如果打印的組織能夠像健康組織一樣“呼吸”，它們?cè)诠δ苌鲜欠駮?huì)更接近健康組織。這是一個(gè)重要的問題。生物打印組織的有效性直接影響其作為一種療法的成功。”

在《科學(xué)》雜志的專題介紹中，印刷的迷你風(fēng)琴被直接稱為“小奇跡”。為了方便世界各地的科學(xué)家使用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員決定將這項(xiàng)研究“開源”并免費(fèi)分享。他們希望在這項(xiàng)技術(shù)的幫助下，人們能夠?qū)?D打印的器官有更多的了解，并最終促進(jìn)“人造器官”的加速上市，造福于大量需要器官移植的患者。

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