近日,美國北岸-LIJ 醫(yī)療集團(North Shore-LIJ Health System)下屬Feinstein醫(yī)學(xué)研究所的研究人員在3D打印醫(yī)療方面獲得了新的突破:他們用一臺普通的MakerBot 3D打印機以及該公司生產(chǎn)的PLA線材打印出了一個定制的氣管支架,該支架能夠與活細(xì)胞結(jié)合生成一段活的氣管!
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科學(xué)家用MakerBot 3D打印出人體氣管支架
2015-1-29 09:42 上傳
一般來說,人類的氣管是比較容易受到損害的器官之一,這些傷害可能來自腫瘤、氣管插管,鈍傷等。同時也可能出現(xiàn)氣管變窄或各種缺陷,而且往往難以修復(fù)。目前醫(yī)學(xué)界常用的重建受損器官的兩種方法都有其局限性。
Goldstein先生是Hofstra北岸LIJ醫(yī)學(xué)院的博士生,在過去的一段時間里,他一直在與北岸-LIJ醫(yī)療集團的一群醫(yī)生合作,以探索如何將3D打印和組織工程技術(shù)用于人體氣管的修復(fù)和更換。醫(yī)生們原本推測,這個研究項目可能需要持續(xù)10到20年,但Goldstein先生和Feinstein研究所的團隊只用了一個月。
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科學(xué)家用MakerBot 3D打印出人體氣管支架
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Feinstein研究所的研究人員已經(jīng)知道如何將軟骨細(xì)胞與營養(yǎng)成分混合在一起培養(yǎng),然后與膠原蛋白結(jié)合,使其形成軟骨。但是要將其塑造成鼻骨或氣管的形狀還需要3D打印的幫助。3D打印機可以構(gòu)造出支架,然后研究人員在其上覆蓋軟骨細(xì)胞和膠原蛋白的混合物,使其長成軟骨。
“制作一個氣管是未知的領(lǐng)域。”Goldstein先生指出:“它必須具有足夠的剛性,以承受咳嗽、打噴嚏等壓力變化,還要有足夠的柔性,讓脖子自由移動。通過3D打印機,我們能夠很快打印出支架并交給外科醫(yī)生立即檢驗,然后我們可以共同努力,實時修改設(shè)計!
研究團隊改裝了一臺MakerBot Replicator 2X 3D打印機,讓其中的一個擠出機擠出PLA,而另外一個擠出機則擠出生物材料!3D打印技術(shù)給了我們在幾個小時內(nèi)完成原型、檢驗、觸摸、感受,然后重新設(shè)計的能力!盋ohen兒童醫(yī)學(xué)中心耳鼻喉科負(fù)責(zé)人Lee Smith博士說:“如果我們將這些設(shè)計送到商業(yè)服務(wù)機構(gòu),那么這個周期就會拉長到幾個星期。我們今天就不可能獲得這些成果。”
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科學(xué)家用MakerBot 3D打印出人體氣管支架
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Feinstein研究所之前也考察了一些可以直接擠出活細(xì)胞的3D打印機,但它們的功能比較少,而且價格昂貴。一臺專門的生物打印機往往要價18萬美元。而他們的目的主要是為了驗證自己的理念,于是他們決定用更實惠、方便的MakerBot 3D打印機。
本來,Goldstein先生認(rèn)為,他需要某種無菌、而且能夠在體內(nèi)溶解的特制PLA材料。然而,由于時間比較緊,他們決定先試試普通的MakerBot PLA線材!癙LA的優(yōu)勢在于它能夠用于各種外科植入設(shè)備!盨mith博士說。通過測試,Goldstein先生發(fā)現(xiàn),PLA打印時擠出機熱端產(chǎn)生的高溫可以起到消毒的效果,這樣普通的MakerBot PLA線材也可以使用。
而需要保持室溫的生物墨水,則使用另外一個擠出機,在打印過程中被注入PLA支架的縫隙中,然后在MakerBot的熱床上固化成凝膠。一個兩英寸長的氣管段——形如中空的巧克力棒——只需不到兩個小時就可以打印完畢。一旦生物油墨粘附到支架上,就會被送入一個生物反應(yīng)器,這個生物反應(yīng)器有點像烤爐,主要是為了保持有利于細(xì)胞生長的溫度。不過一臺新的生物反應(yīng)器市場售價在5萬到15萬美元之間。于是Goldstein先生就根據(jù)自己的需求用3D打印機打印出了齒輪等部件,自己DIY了一臺定制的生物反應(yīng)器。
日前,Goldstein先生和Zeltsman博士在圣迭戈舉辦的胸外科學(xué)會第51屆年會上發(fā)表此項研究成果,展示了如何在孵化器內(nèi)用四個星期制作出一個3D打印的氣管或氣管段。 據(jù)Goldstein先生總結(jié)說:“細(xì)胞可以在3D打印過程中存活,并能夠繼續(xù)分裂,并產(chǎn)生最終形成軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)!睋Q言之,它們會像氣管軟骨一樣生長。
不過,F(xiàn)einstein研究所目前的工作仍然屬于“概念驗證”的性質(zhì)。開發(fā)團隊在確定將其用于氣管修復(fù)之前還有很多工作要做。Smith博士預(yù)計,未來五年內(nèi)他們能夠做到收集病人的細(xì)胞,并讓它在支架上生長,以修復(fù)氣管。
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