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打印“自己”:3D打印“照亮”器官移植的未來

3D打印機(jī)
2014
12/02
13:14
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評(píng)論


2012年的2月,密歇根大學(xué)附屬C.S.莫特兒童醫(yī)院的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)為一個(gè)三個(gè)月大的男嬰進(jìn)行了一次不尋常的手術(shù)。這個(gè)男嬰患有先天“氣管支氣管軟化”,這是一種非常罕見的病癥:這個(gè)男嬰氣管的一部分組織缺乏應(yīng)有的軟骨硬度和支撐力,從而會(huì)不斷造成管腔不同程度的塌陷。這就使得他無法進(jìn)行正常呼吸,還會(huì)引起附近血管(包括主動(dòng)脈)阻塞,從而引發(fā)心肺驟停。該男嬰當(dāng)時(shí)僅能依靠呼吸器來存活,而醫(yī)療團(tuán)隊(duì)也在絞盡腦汁想辦法來拯救這個(gè)可憐的嬰兒。他脆弱的氣管組織需要被修復(fù)或者替換,但手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大,更何況對(duì)象還是這么小的一個(gè)孩子。醫(yī)療團(tuán)隊(duì)咨詢了這個(gè)男嬰在俄亥俄州阿克倫兒童醫(yī)院的主治醫(yī)生,然后很快做出了用3D打印氣管換掉故障氣管的決定。

走進(jìn)最真實(shí)的3D打印技術(shù)

顧名思義,3D打印機(jī)肯定不是用油墨在平坦的紙張上打印內(nèi)容,而是在三維空間內(nèi)逐層打印出立體的東西。它使用的油墨是由基板和具體的物質(zhì)構(gòu)成的。19世紀(jì)80年代,世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)誕生,它是由美國工程師Charles Hull發(fā)明的。3D打印機(jī)里的“油墨”是一種丙烯酸溶液。當(dāng)它接收到激光束中的紫外線的照射,這種溶液就會(huì)凝結(jié)成固體。許多汽車、飛機(jī)的制造商都會(huì)在電腦上設(shè)計(jì)出復(fù)雜的零件設(shè)計(jì)圖,然后通過3D打印機(jī)將零件原型打印出來進(jìn)行生產(chǎn)。而如今,這種現(xiàn)象已經(jīng)非常普遍了。隨著科技的進(jìn)步,3D打印機(jī)也就變得沒有那么獨(dú)特了,自然它也就變得廉價(jià)和無處不在。Staples和亞馬遜都提供3D打印服務(wù)。螺母、螺栓、耳機(jī)、眼鏡、運(yùn)動(dòng)鞋、珠寶、骨灰盒,甚至是“星球大戰(zhàn)”的模型、建筑物模型以及整棟房屋,這些都能通過3D打印機(jī)打印出來。在美國,3D打印技術(shù)引發(fā)了人們的爭(zhēng)論。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于是否應(yīng)該允許公民使用3D打印技術(shù)來打印槍械,要知道現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn),F(xiàn)在3D打印機(jī)使用的打印材料可以是塑料、金、銀、其它金屬、陶瓷、蠟甚至是食物。(美國國家航空航天局正致力于開發(fā)一款可以在失重狀態(tài)下運(yùn)行的3D打印機(jī),通過這款3D打印機(jī)來為宇航員們制作披薩。)有興趣的人只要支付一小筆費(fèi)用,上傳一張自己的照片,你就可以3D打印出自己的頭像玩偶。

密歇根大學(xué)的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)在此之前曾經(jīng)處理過類似的病例。研究人員首先用CT掃描了男嬰的胸腔部位,然后制作出需要修復(fù)的氣管的三維圖像模型;谶@個(gè)模型,研究人員設(shè)計(jì)并打印出了一塊小夾板。這塊夾板是用具有生物相容性的材料制作而成的小軟管,用來加固男嬰脆弱的氣管,同時(shí)保持氣管暢通。夾板堅(jiān)固且柔軟,還會(huì)隨著男孩的成長(zhǎng)而變大。研究人員將其比作為“真空吸塵器中的軟管”。此外,這塊夾板需要在男嬰胸腔內(nèi)呆三年左右,直到破損的氣管痊愈。當(dāng)男嬰的氣管痊愈后,夾板便會(huì)在其體內(nèi)溶解掉,也不會(huì)造成任何傷害。在夾板植入三周后,這個(gè)男嬰已經(jīng)脫離了呼吸器并且安全回到了家中。2013年5月,據(jù)《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》報(bào)道,男嬰已在如常人般長(zhǎng)大,也沒有任何之前預(yù)見的癥狀發(fā)生。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正變得越來越普遍。幾乎每一天,我都能接收到一封來自我所在醫(yī)院的新聞辦公室的電子郵件:我的某一位同事在進(jìn)行真正的手術(shù)前成功利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)精密的醫(yī)用模型,比如說某個(gè)病人的二尖瓣、手指或者是視覺神經(jīng)。外科醫(yī)生如今可以將3D技術(shù)打印出來的移植片固定模、假肢或者是人顱骨中的一部分植入病人體內(nèi)。3D打印技術(shù)的倡導(dǎo)者認(rèn)為,這項(xiàng)技術(shù)能讓制造業(yè)變得更加民主,我們可打印的東西也變得越來越私人和私密。不管你相信與否,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,我們正在用3D打印技術(shù),“打印”自己。


去年六月份,我參加了科羅拉多州的阿彭斯思想節(jié),在那里醫(yī)療健康領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)引發(fā)了一番熱議。首先發(fā)言的是一個(gè)高大、蓄有胡須的男士,他是3D Systems公司的工業(yè)設(shè)計(jì)師Scott Summit。這家公司的創(chuàng)始人是3D技術(shù)發(fā)明家Charles Hull,后來這家公司發(fā)展成為世界領(lǐng)先的3D打印技術(shù)與服務(wù)的供應(yīng)商。3D Systems設(shè)計(jì)出了一款非常流行的產(chǎn)品——Invisalign。這是一個(gè)3D打印金屬矯正牙套,治療過程首先要對(duì)病人的咬痕進(jìn)行掃描,然后才能決定應(yīng)該如何對(duì)牙齒進(jìn)行矯正。Invisalign牙套看起來就像是一個(gè)透明的塑料嘴巴防護(hù)層,每一個(gè)牙套都是利用3D打印技術(shù)為病患量身定做。3D System會(huì)根據(jù)病患牙齒的恢復(fù)情況定期對(duì)牙套進(jìn)行調(diào)整或打印出一個(gè)新的牙套,直到病患的牙齒問題被徹底解決。

如今,3D System正穩(wěn)步進(jìn)軍醫(yī)療市場(chǎng)。幾個(gè)月前,該公司和奧克蘭兒童醫(yī)院的研究人員合作進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試,用3D打印機(jī)打印出“脊椎”,以便幫助那些在成長(zhǎng)過程中脊椎彎曲的年輕人。不過為了修復(fù)彎曲的脊椎,佩戴者必須每時(shí)每刻佩戴著這款產(chǎn)品,但是顯然多數(shù)孩子都不能做到這一點(diǎn)。Summit在電話中告訴我:“如果你仔細(xì)觀察3D打印出來的脊椎,你會(huì)發(fā)現(xiàn)它在擠壓著佩戴者的身體。如果在夏天佩戴這款產(chǎn)品,使用的尼龍搭扣帶會(huì)讓佩戴者感覺非常熱。大部分青少年都不愿意在走路的時(shí)候佩戴這款產(chǎn)品!边@一點(diǎn)我還是感同身受的。幾年前,我曾經(jīng)做過一次脊椎分離手術(shù),術(shù)后幾個(gè)月我一直使用類似的支架,戴著那東西走路實(shí)在是種折磨——這種支架會(huì)讓人感到極其不舒服,還沒有辦法把它遮擋起來!比欢鳶ummit設(shè)計(jì)的新支架看起來卻像是一個(gè)為患者量身定做的蕾絲坎肩。事實(shí)上,3D System的3D打印脊椎是由精細(xì)研磨的尼龍粉末制成,既輕便又透氣,加上是根據(jù)佩戴者的身體和醫(yī)療需求來量身定制的,因此穿上它就像穿衣服一樣不會(huì)有任何不舒服的感覺。該公司先后在22個(gè)女孩間進(jìn)行測(cè)試,他們都希望盡快讓這款產(chǎn)品得到更廣泛的應(yīng)用。

在阿彭斯思想節(jié)上,Summit登臺(tái)時(shí)身邊還有一位46歲的女士,這位名叫Amanda Boxtel的女士原先需要依靠輪椅才能行走,然而今天她卻是走上了舞臺(tái)。究竟是什么讓她重新站起來走路的呢?事實(shí)上,在1992年,一場(chǎng)滑雪事故讓Amanda失去了她的雙腿。但是困難并沒有就這樣打敗她,她如今是Bridging Bionics公司的主管(這是一家致力于幫助癱瘓人士恢復(fù)行走能力的基金會(huì))。2013年,3D Systems的研究人員找到了Amanda。他們先用儀器掃描了她的下半身的身體輪廓,然后用柔軟的尼龍纖維為她“量身打印”出她的軀干、小腿和大腿。隨后,研究人員將3D打印四肢裝到了Ekso Bionics公司現(xiàn)有的一套電動(dòng)護(hù)腿與手部控制儀上。就這樣,一套定制的人類“下半身”誕生了。當(dāng)Amanda穿上了它,開始練習(xí)慢慢行走——就是這樣,她在阿彭斯思想節(jié)上走上了舞臺(tái)。Summit在采訪中表示:“其實(shí)還有一些摩托化機(jī)動(dòng)輔助器材,但是它們都不是為使用者量身定做的。如果這些設(shè)施對(duì)佩戴者的臀部還有腿部產(chǎn)生壓力,佩戴者就會(huì)存在擦傷或是感染的風(fēng)險(xiǎn)! Boxtel后來也在采訪中表示:“我很喜歡我的這雙機(jī)械腿因?yàn)樗歉鶕?jù)我的身體而制作的,也是為了我能行走而制作的。但是我還想讓它能成為我時(shí)尚又性感的‘跑車’——穿上它我可以快步行走!奔夹g(shù)還在不斷進(jìn)步,希望有朝一日Boxtel能實(shí)現(xiàn)她的夢(mèng)想。

3D打印植入

在此之前,3D打印醫(yī)療設(shè)備多被用來從外界支撐使用者的身體。但最近,3D打印物體也逐漸開始使用于人體內(nèi)部。3D Systems將自己的打印技術(shù)提供給制作定制膝關(guān)節(jié)植入體的Conformis公司,這家公司每年要打印1000多個(gè)為顧客量身定做的膝關(guān)節(jié)植物體。(盡管市場(chǎng)對(duì)于這種訂做的膝關(guān)節(jié)的需求在不斷上升,但是這類訂做的膝關(guān)節(jié)和普通的膝關(guān)節(jié)植入體究竟誰更勝一籌,這個(gè)答案仍是懸而未決。)今年早些時(shí)候,威爾士的外科醫(yī)生,利用該技術(shù)為一位名叫Stephen Power 的29歲男子重塑了面部骨骼。Power在一起摩托車事故中發(fā)生了意外,他的左臉頰、眼窩、上顎、頭骨均發(fā)生了脫落。通過掃描Power “幸存”的骨骼,醫(yī)療小組制作出了他整個(gè)面部的3D結(jié)構(gòu)圖,然后打印出鈦材料制作的假體,并成功植入Power的頭部和臉部。

最近,我同Bronx蒙特斐奧醫(yī)療中心的Oren Tepper博士進(jìn)行了交談,他是這家醫(yī)院的顱面手術(shù)的負(fù)責(zé)人。Oren Tepper博士在他的實(shí)踐中開創(chuàng)了3D打印技術(shù)的新使用方式。2012年,他接手了一個(gè)名叫Jayla的女嬰。這個(gè)女嬰先天下巴殘缺,從而使得她經(jīng)常性呼吸困難。診斷過后醫(yī)生就會(huì)為她進(jìn)行氣管切開術(shù)。通常來說,醫(yī)院會(huì)為這種患者進(jìn)行頜骨重建,但這種骨移植手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大,以Jayla當(dāng)時(shí)的年齡來說并不適合。

然而,Tepper卻不贊成為Jayla進(jìn)行氣管切開術(shù)。他為Jayla做了腦部掃描,根據(jù)掃描得到的信息用3D打印機(jī)為她打印出了理想的下顎模型。Oren Tepper博士并沒有打算用這個(gè)模型來替換Jayla的下顎,相反,他打算改變Jayla的下顎形狀,使其與模型匹配。然后,Oren Tepper博士打印出適合Jayla下巴的三維模具。模具上有狹縫和空洞,讓他能在不損害Jayla面部神經(jīng)的前提下植入下顎模型。最后,他給Jayla的下巴裝了個(gè)棘輪。每天,Oren Tepper博士會(huì)將Jayla的下巴向前“拖拽”一毫米,以促進(jìn)其骨細(xì)胞生長(zhǎng),然后填滿整個(gè)拉伸的區(qū)域。幾周后,整個(gè)醫(yī)療過程結(jié)束了,Jayla的下巴已經(jīng)長(zhǎng)得和同齡人無異了。如今,Oren Tepper博士每年都要治療兩至三個(gè)有類似殘疾的孩子。

Oren Tepper博士在采訪中告訴我說:“我也是從年輕一代成長(zhǎng)起來的,年輕人對(duì)于新技術(shù)還是很適應(yīng)的。當(dāng)然你也可以嘗試去做一個(gè)不含虛擬模具與3D打印技術(shù)的相當(dāng)復(fù)雜的外科手術(shù),不過那樣的話,手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大很多,失敗的幾率也大得多”。


3D打印細(xì)胞和器官

未來,3D打印技術(shù)還將給醫(yī)學(xué)界的發(fā)展帶來更大的飛躍。這些年來,研究人員一直想方設(shè)法試圖在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)制造出人體的腎臟,肝臟以及其他器官和細(xì)胞組織。如果這個(gè)想法成功了,那么需要接受移植手術(shù)的病患就無需浪費(fèi)大量時(shí)間來尋找捐獻(xiàn)者了。但是,在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行細(xì)胞組織培養(yǎng)可以說是一件十分困難的事情。好在我們現(xiàn)在可以利用細(xì)胞作為“油墨”的3D打印,這就讓我們看見了新的希望。19世紀(jì)90年代初,維克森林再生研究所所長(zhǎng)Anthony Atala,開始在他的實(shí)驗(yàn)室中的可降解支架上培養(yǎng)人體的膀胱細(xì)胞。他培養(yǎng)的細(xì)胞呈袋狀,之后他將這種帶狀細(xì)胞成功植入了7名膀胱功能較差的孩子體內(nèi)并且大大改善了他們的身體情況。此后,醫(yī)學(xué)界都開始把精力投入到了3D打印醫(yī)療技術(shù)的應(yīng)用中,各類再造人體器官的成功案例比比皆是。其實(shí)在此之前,許多項(xiàng)目也經(jīng)常利用3D技術(shù)打印出聚合物支架上的氣管細(xì)胞、心肌細(xì)胞或是腎細(xì)胞,但始終未能使其成長(zhǎng)為成熟器官。目前科學(xué)家們都在實(shí)驗(yàn)室里齊心協(xié)力培養(yǎng)人造器官,相信不久之后問題的關(guān)鍵已不再是他們能否成功,而是如何成功。

世界上第一款顯微鏡于16世紀(jì)正式誕生,時(shí)間就和望遠(yuǎn)鏡的產(chǎn)生差不多。這兩者帶來了兩個(gè)全新領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)——望遠(yuǎn)鏡讓我們明白了這個(gè)世界是由宇宙天體而構(gòu)成的,而且天體之間的距離很遠(yuǎn);而顯微鏡則讓我們看到了人體內(nèi)部細(xì)微的有機(jī)組織還有細(xì)胞。然而讓天文學(xué)家從三維角度理解宇宙發(fā)展很容易,讓細(xì)胞生物學(xué)家從三維角度理解微觀世界卻很難,因?yàn)槿祟悓?duì)于微觀世界的理解一直停留在二維水平。而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因部分在于顯微鏡下的標(biāo)本必須被放在細(xì)薄的載玻片上,這樣上方或者下方的光線就可以照亮它,這就是在二維條件下進(jìn)行觀察。因此,即便擁有先進(jìn)的電腦軟件技術(shù),生物學(xué)家也很難從三維立體角度理解組織和器官的相互聯(lián)系,更不用說將它們重建出來了。

例如,我曾經(jīng)在我的實(shí)驗(yàn)室里研究排列在人類靜脈、動(dòng)脈和毛細(xì)血管內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞。當(dāng)這些細(xì)胞被移出體外,它們就會(huì)迅速死亡。實(shí)驗(yàn)室里必須有特殊的設(shè)備,才能維持內(nèi)皮細(xì)胞的存活和生長(zhǎng)。首先我要將內(nèi)皮細(xì)胞放在涂有凝膠混合膠原蛋白和其他蛋白質(zhì)的塑料盤上,然后將塑料盤放在孵化器內(nèi)。孵化器需要維持一定溫度,還得輸入適量的氮、二氧化碳和水蒸汽。在這樣的環(huán)境條件下,內(nèi)皮細(xì)胞能存活數(shù)周。然而我卻也無法控制內(nèi)皮細(xì)胞自組膠原基質(zhì)。之前我在孵化器中放置了一盤肉皮細(xì)胞,幾天后我驚訝的發(fā)現(xiàn)這個(gè)孵化器變成了一個(gè)流動(dòng)的血管。

這樣看來,再怎么強(qiáng)調(diào)這種結(jié)構(gòu)對(duì)于生物系統(tǒng)功能正常運(yùn)行的重要性也不為過了。

鐮形細(xì)胞性貧血就是由單一的形狀改變基因突變引起。正常蛋白質(zhì)的基因代碼稱為“球蛋白”,這將會(huì)幫助紅血球?qū)⒀鯕廨斔偷饺梭w組織中。然而當(dāng)基因發(fā)生突變,球蛋白就會(huì)發(fā)生崩潰,甚至可以堵塞血管。直到最近,阿茲海默癥(老年癡呆癥)的研究人員也未發(fā)現(xiàn)腦細(xì)胞如何自發(fā)使淀粉樣蛋白質(zhì)異常,從而引起老年癡呆癥的真相。神經(jīng)元在培養(yǎng)皿中的表現(xiàn)和在人類大腦中完全不同。但是在十月份,《自然》報(bào)刊上的一篇文章表示:馬薩諸塞州總醫(yī)院的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功在凝膠骨架中培養(yǎng)出了神經(jīng)元,這樣細(xì)胞就可以在三維空間里相互交流。他們由此預(yù)見到了一場(chǎng)研究阿茲海默癥的熱潮——在未來,會(huì)有越來越多的實(shí)驗(yàn)室研究人員來研究阿茲海默癥。

與此同時(shí),設(shè)計(jì)制造組織和器官的醫(yī)療實(shí)踐也受到二維空間的重重阻礙。萊斯大學(xué)的生物工程師Jordan Miller在采訪中指出:“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。增加組織構(gòu)造的任務(wù)乃是重中之重! Miller還在PLOS Biology期刊上發(fā)表了一篇標(biāo)題為“十億細(xì)胞建造:3D打印技術(shù)能夠帶我們實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想嗎?”的文章。一個(gè)培養(yǎng)皿甚至幾個(gè)培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的組織細(xì)胞遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,這些人造細(xì)胞需要能夠進(jìn)行營養(yǎng)、成長(zhǎng)元素以及其他信息的交流。

Miller在文章中這樣寫道:“專家們都還在為了數(shù)字而犯愁,他們能創(chuàng)造出來的組織細(xì)胞還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠!鄙飳W(xué)家都希望能解決這一問題,他們?cè)谒芰匣颦h(huán)氧支架上培養(yǎng)不同類型的細(xì)胞。然而這種前仆后繼的嘗試卻鮮有成功,就算外部細(xì)胞能不斷增殖,內(nèi)部細(xì)胞也會(huì)因缺乏營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣而死亡。生物學(xué)家也許能培養(yǎng)出數(shù)十億腎細(xì)胞,并最終形成外形似腎的東西。但是如果沒有持續(xù)生長(zhǎng)的血管來滋養(yǎng)整個(gè)腎器官,這腎臟仍形同虛設(shè)。


新型3D打印細(xì)胞材料

哈佛大學(xué)的材料科學(xué)家Jennifer Lewis在采訪中表示:“不幸的是,這個(gè)領(lǐng)域仍有很多虛假不實(shí)的信息。我記得我第一次看TED演講的時(shí)候——那時(shí)我正在看視頻,突然有個(gè)人宣稱他們成功打印出了腎臟,然后展示了一個(gè)外形似腎臟的東西。我覺得這番話很有誤導(dǎo)性,打印出來的形狀像腎但我們并不能就把它當(dāng)做是腎。我們不該給人錯(cuò)誤的期望,否則這將給3D打印技術(shù)帶來罵名”。

今年已經(jīng)50歲的Lewis留著短棕發(fā),戴無框眼鏡,她是一位非常友好而彬彬有禮的人。盡管她對(duì)3D打印器官、組織的技術(shù)持不看好的態(tài)度,然而,不可否認(rèn)的是目前她的研究也在向這一新技術(shù)領(lǐng)域靠攏。二月份的時(shí)候,Lewis和她的一名研究生學(xué)生David Kolesky以及她研究團(tuán)隊(duì)的其他成員在Advanced Materials發(fā)表了一篇論文,論文描述了一種可以讓細(xì)胞能大量增殖的新方法。通過一個(gè)專門定制的3D打印機(jī),Lewis研究團(tuán)隊(duì)可以打印出類似人體內(nèi)的蛋白矩陣和活細(xì)胞類型。重要的是,他們?cè)O(shè)法在這些細(xì)胞組織建立了血管網(wǎng)絡(luò),這就像是真正的血管一樣,這些血管網(wǎng)絡(luò)可以為細(xì)胞提供營養(yǎng),保證它們繼續(xù)存活。而這種打印的細(xì)胞,并不僅僅只是3D打印器官的成功例子,這更是為了實(shí)現(xiàn)3D打印器官這個(gè)目標(biāo)邁出的重要一步。Lewis表示這就是我們稱為的3D生物打印——是3D“生物”打印,而絕非簡(jiǎn)單的3D打印。

Lewis生長(zhǎng)于伊利諾斯帕拉蒂尼,畢業(yè)于伊利諾斯大學(xué)香檳分校。大一的時(shí)候Lewis曾參加了一個(gè)陶瓷工程項(xiàng)目小組。之后,她一直是該項(xiàng)目小組的成員,直到獲得麻省理工陶瓷科學(xué)博士學(xué)位。Lewis在采訪中坦言她非常喜歡陶瓷的特殊屬性。陶瓷可以制作玻璃、瓷器、泥土,它也可以導(dǎo)電,因此陶瓷是很多高科技電子產(chǎn)品的關(guān)鍵材料。

她還表示:“陶瓷的加工過程不僅僅是科學(xué)的體現(xiàn),更包含了藝術(shù)。最吸引我的部分就是某些物質(zhì)的材料可以根據(jù)組合方式的不同而擁有不同的特質(zhì)。我非常享受這種創(chuàng)造材料的過程!

1990年,Lewis回到香檳分校任教,并開始從事3D打印方面的工作。她認(rèn)為,3D打印技術(shù)是按三維像素——即體素來構(gòu)造材料的完美工具。她在采訪中指出:“三十年前如果你想3D打印某個(gè)東西,你需要用紫外線固化樹脂或熱塑性塑料,做出來的基本上就是一個(gè)原型模具,但這不是我想要的。我想要做出來的是一個(gè)實(shí)用的材料或者是設(shè)備!

2001年,Lewis開始和Scott White合作,后者在材料工程領(lǐng)域可謂是技藝高超的專家。多年來,Scott White一直致力于開發(fā)一種可以在遭遇破壞后自行修復(fù)的塑料或者其他類型的建筑材料。White在采訪中告訴表示:“汽車還有飛機(jī)上的塑料或金屬零件如果遭到外界碰撞,那么產(chǎn)生的裂痕就會(huì)損害汽車還有飛機(jī)的使用壽命,而這種裂痕通常不易從外表上發(fā)現(xiàn),這樣就會(huì)給人們的生命安全帶來威脅。此前,White和他的同事Nancy尋找到了解決這個(gè)問題的良方。首先,他們利用3D打印機(jī)創(chuàng)建出一種充滿微膠囊的新材料,而這種新材料的微膠囊里則充滿了特殊的愈合劑。當(dāng)材料受到磨損時(shí),微膠囊就會(huì)打開并釋放愈合劑。這種愈合劑實(shí)際上是由單體、塑料分子組成的。當(dāng)愈合劑接觸到材料中的其它化學(xué)物質(zhì)時(shí),它就會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),從而修復(fù)潛在裂縫。


而當(dāng)Lewis加入這個(gè)團(tuán)隊(duì)后,研究人員便意識(shí)到這種材料應(yīng)該有自己的微通道。只有這樣,愈合劑才能更快速的接觸并且修復(fù)裂縫,這就像體內(nèi)的凝血蛋白和血小板通過毛細(xì)血管到達(dá)和治愈傷口那樣。為了建立這樣的微通道,研究人員期初采用了加熱時(shí)會(huì)融化的蠟基油墨作為打印材料。2011,Lewis開始開發(fā)普朗尼克(聚丙二醇與環(huán)氧乙烷的加聚物)油墨。普朗尼克在室溫下是凝膠狀,然而不同于其他材料,它在冷卻至略高于冰點(diǎn)時(shí),就會(huì)變成液體。利用3D打印機(jī),Lewis和White就可以打印出嵌有普朗尼克油墨膠體網(wǎng)絡(luò)的塑料物體。然后,這種物體可以被冷卻,這時(shí)液態(tài)的油墨就可以被吸出,留下一條“通道”。因?yàn)檫@種獨(dú)特的創(chuàng)建通道的方式,Lewis經(jīng)常將這種材料稱作為“逃跑油墨”。

Lewis還補(bǔ)充道:“我實(shí)際上是從生物領(lǐng)域得到了啟發(fā),從而想到了這個(gè)創(chuàng)造可以自行痊愈材料的方法。在這個(gè)項(xiàng)目中,我主要是負(fù)責(zé)找到一種可以在3D打印油墨中嵌入微血管網(wǎng)絡(luò)的方法。一旦我們成功了,我相信這將產(chǎn)生廣泛的影響!

2013年,Lewis離開了香檳分校,接受了哈佛大學(xué)給他提供的一份教師職位,主要負(fù)責(zé)在Wyss研究所進(jìn)行生物啟發(fā)工程方面的研究。她的實(shí)驗(yàn)室不但擁有數(shù)十個(gè)本科生還有研究生在工作,還占據(jù)了主校區(qū)北部的一個(gè)絕佳位置——周邊非常安靜,實(shí)驗(yàn)室就坐落在這棟由玻璃和混凝土建造而成的建筑里的教室里。實(shí)驗(yàn)室中央是三臺(tái)專門定制的3D打印機(jī),每一臺(tái)打印機(jī)都價(jià)值25萬美元。當(dāng)我在九月拜訪Lewis的時(shí)候,我就向她表示了我非常期待見到一臺(tái)3D打印機(jī)的愿望。

于是,Lewis帶領(lǐng)我穿越了錯(cuò)綜復(fù)雜的走廊還有辦公室,最終到達(dá)了其中一臺(tái)打印機(jī)所在的房間。第一眼看上去,3D打印機(jī)真的是非常龐大。打印機(jī)的底部是一塊巨大的花崗巖,長(zhǎng)約五英尺,寬約四英尺,高約一英尺,重達(dá)1.5噸。Lewis告訴我:“對(duì)于3D打印機(jī)而言,擁有一個(gè)穩(wěn)定的地基對(duì)于它進(jìn)行精密的工作是非常重要的!被◢弾r紙上是一個(gè)水平的平臺(tái),平臺(tái)上方則豎直矗立四個(gè)長(zhǎng)方體的鐵質(zhì)容器,每一個(gè)都有一英尺之高——這就是3D打印機(jī)的油墨分配器。盡管每一個(gè)分配器都位于小型圓錐塑料尖端的底部,但是從功能上而言,這些分配器就和雜貨店里大型食物貨架上管螺母一樣。各色電線將分配器和其后方的機(jī)器連接在一起,而每一個(gè)分配器則是由其頂部的機(jī)器手臂來控制。打印機(jī)兩側(cè)還有一個(gè)大型的檢測(cè)儀和電腦來對(duì)其控制。

Lewis還補(bǔ)充道:“每一個(gè)分配器中都含有不同的生物材料。其中一個(gè)分配器內(nèi)裝有的是懸浮狀態(tài)的膠原蛋白,這是人體內(nèi)組織細(xì)胞成型所需要的蛋白矩陣。而另外兩個(gè)分配器則裝有懸浮狀的纖維原細(xì)胞,這種多軟骨細(xì)胞可以形成人體內(nèi)的連接組織。(纖維原細(xì)胞是遺棄的新生兒的包皮中提取出來的,醫(yī)院通常會(huì)保留這種纖維原細(xì)胞用來進(jìn)行研究。)最后一個(gè)分配器中則含有之前Lewis設(shè)計(jì)出來為材料創(chuàng)造渠道的“逃亡油墨”。同Lewis共同工作的研究生David Kolesky接下來會(huì)來解釋分配器是如何進(jìn)行工作的。

首先,他將一塊干凈的載玻片放在了其中一個(gè)分配器下面的平臺(tái)上。然后,他在電腦上打開了一個(gè)軟件程序,然后找到了一張細(xì)胞組織的圖片并將它打印了出來。打印出來的細(xì)胞組織看起來就像是一個(gè)半透明的長(zhǎng)方體明膠,明膠內(nèi)部則含有血管網(wǎng)絡(luò):細(xì)胞從一端的通道中進(jìn)入,然后分開流入更小的血管中,接著圍繞這些血管進(jìn)行環(huán)流,最終又重新匯合在一起,進(jìn)入另一端的一個(gè)血管中。這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的血管網(wǎng)絡(luò),基本上和人體內(nèi)動(dòng)脈分流成更小的毛細(xì)血管然后最終又匯合進(jìn)同一個(gè)血管的過程類似。Kolesky表示他們甚至可以設(shè)計(jì)成你想要的血管類型。他向我展示了另一塊載玻片,這張載玻片上則顯示了一個(gè)更加復(fù)雜的分支血管類型,看起來就像是一個(gè)無葉的樹的枝干。我突然意識(shí)到:這是基于向心臟表層輸送氧氣和營養(yǎng)的血管而設(shè)計(jì)的模板。

接下來Kolesky就開始講述重點(diǎn)了:“含有‘逃跑油墨’的分配器會(huì)快速的運(yùn)轉(zhuǎn),速度快到肉眼幾乎無法察覺到。與此同時(shí),它會(huì)釋放出一種類似于瓊脂、非常細(xì)薄的膠體。3D打印機(jī)工作起來會(huì)發(fā)出噼里啪啦的聲音,就像是一個(gè)在飛速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器。一分鐘時(shí)間左右,3D打印機(jī)就已經(jīng)打印好了所需要的內(nèi)容,還會(huì)遺留下一串凝膠狀的油墨,正好和電腦上的圖案相匹配。油墨的直徑大約是一毫米的十分之一,整個(gè)圖案覆蓋的面積只比紙板火柴大一點(diǎn)。


此時(shí),3D打印機(jī)的任務(wù)還沒有完成,Kolesky又繼續(xù)向我解釋了接下來的步驟。其他的油墨分配器則會(huì)輪流運(yùn)行,還會(huì)留下由膠原蛋白與纖維原細(xì)胞組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而這些物質(zhì)則會(huì)牢牢固定在“逃跑油墨”形成的血管網(wǎng)絡(luò)周圍,正好把血管網(wǎng)絡(luò)包含在棕褐色的活細(xì)胞組織中。為了讓“逃跑油墨”從分配器中流出,Kolesky會(huì)將細(xì)胞組織放在一個(gè)冷凍的石管中,這可以將凝膠狀的油墨轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。之后,他會(huì)用一個(gè)抽吸裝置來將油墨提取出來。最終,錯(cuò)綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)遍布活細(xì)胞組織,而這些細(xì)胞就能在血管中給細(xì)胞傳遞營養(yǎng)。

最后一步對(duì)于我來說是非常震撼的。一旦血管中空無一物,Kolesky就會(huì)將懸浮狀的內(nèi)皮細(xì)胞注入進(jìn)血管網(wǎng)絡(luò)中,從而使血管網(wǎng)絡(luò)中充滿內(nèi)皮細(xì)胞。這些內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)在渠道內(nèi)部進(jìn)行“定居與繁衍”,將這些渠道快速有效的轉(zhuǎn)變?yōu)檠。接下來這些細(xì)胞就會(huì)從現(xiàn)有的血管中分離出來,形成新的血管,這樣一個(gè)復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)就形成了。事實(shí)上,Lewis和她的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的這個(gè)對(duì)細(xì)胞來說是“家”的環(huán)境要遠(yuǎn)比培養(yǎng)皿或是無機(jī)支架要更適宜細(xì)胞的成長(zhǎng)。之前在培養(yǎng)皿和無機(jī)支架中培養(yǎng)過的細(xì)胞已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

Lewis還表示:“我們?cè)O(shè)計(jì)出的公用通道是用來讓肉皮細(xì)胞從中脫離出來的,這樣肉皮細(xì)胞就會(huì)擁有屬于自己的私人通道。接下來就要靠這些細(xì)胞自己的智力來成長(zhǎng)了!

Lewis的方式不過是眾多嘗試創(chuàng)建復(fù)雜組織細(xì)胞的方法之一。布萊根婦女醫(yī)院和卡耐基梅隆大學(xué)的研究人員,正開發(fā)磁控制的“微型機(jī)器人”,這種機(jī)器人將細(xì)胞按照預(yù)先安排的結(jié)構(gòu)排列。而波士頓大學(xué)、萊斯大學(xué)、麻省理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì),正在研究用糖基“油墨”制作3D血管。其中一名研究人員對(duì)Lewis的工作贊不絕口,稱她是“全世界3D打印器官領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)人”。

革命性改變

而對(duì)于Lewis來說,她對(duì)3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)域帶來的變化充滿了熱情。每年,數(shù)十億的美元都用來進(jìn)行藥物試驗(yàn),來檢測(cè)這些藥物是否會(huì)發(fā)生新陳代謝或是帶來什么樣的副作用。Lewis在采訪中表示:“我們希望能提供一個(gè)快速失敗的模型,利用這個(gè)模型,這些藥物就可以在3D人體細(xì)胞組織中進(jìn)行檢測(cè),而他們的毒性也可以檢測(cè)出來,這就避免了在動(dòng)物和人類身上進(jìn)行測(cè)試所花費(fèi)的時(shí)間和精力!

但是Lewis也承認(rèn)她確實(shí)考慮過用3D打印技術(shù)打印出功能完整的器官的可能性。她在采訪中承認(rèn):“創(chuàng)造出一個(gè)完整的腎臟,其難度堪比登月。要做的第一步就是創(chuàng)建出一個(gè)腎單位,這是腎臟構(gòu)成的最基本的單元。我們的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了3D打印技術(shù)可以打印出任何類型的血管渠道,而腎單元血管也不過是另一種血管類型。最近,我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可以將人體腎臟中的上皮細(xì)胞與創(chuàng)造的渠道連接在一起的方法。我們將這一發(fā)現(xiàn)看作是3D打印腎臟技術(shù)走向成功的階梯,接下來我們會(huì)繼續(xù)研究。事實(shí)上,即使是創(chuàng)造一個(gè)簡(jiǎn)單的腎單元也可以算得上一項(xiàng)大成就。然而,每一個(gè)腎臟中大約有一百萬個(gè)腎單元!

在我離開實(shí)驗(yàn)室之前,Kolesky像我展示了他們的孵化器,那是一個(gè)就放在3D打印機(jī)旁邊的白色盒子,大約為一個(gè)寢室大小的冰箱。他打開門,在書架上方的一個(gè)載玻片上有一個(gè)已經(jīng)打印完成的組織細(xì)胞。一根約為和意大利面差不多粗細(xì)的精致的塑料管從一段進(jìn)入,開始輸送葡萄糖、氨基酸還有其他重要的營養(yǎng)成分。而另一個(gè)和意面差不多粗細(xì)的試管從另一端進(jìn)入,將二氧化碳、衰弱的蛋白質(zhì)以及其他細(xì)胞垃圾帶走。Kolesky表示在這樣的情況下,細(xì)胞組織已經(jīng)存活了兩周之久。盡管我從外表看不太出來具體有多少,但是這些組織細(xì)胞確實(shí)在茁壯成長(zhǎng),但在我看來,這一切就是偉大成就的開端。


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