例如，生物學(xué)家會(huì)在實(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。一旦這些細(xì)胞被排出體外，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)。

        隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印機(jī)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)”模型、建筑物模型及整棟房屋，都能通過3D打印機(jī)被制作出來。

        治療罕見疾病患兒

        2012年2月，密歇根大學(xué)附屬C.S.莫特兒童醫(yī)院的醫(yī)療隊(duì)，組織進(jìn)行了一次不尋常的手術(shù)。手術(shù)對(duì)象是一名出生剛?cè)齻�(gè)月，患有罕見先天“氣管支氣管軟化”疾病的男嬰。

        這個(gè)男嬰的部分氣管組織脆弱無比，很小的一件事例如換個(gè)尿布都會(huì)讓他的氣管崩潰。這時(shí)候，他會(huì)呼吸困難，并引起附近血管（包括主動(dòng)脈）阻塞，從而引發(fā)心肺驟停。

        在莫特兒童醫(yī)院里的男嬰一直戴著呼吸器，他脆弱的氣管組織需要被修復(fù)或替換，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)療隊(duì)聯(lián)系了這個(gè)男嬰在阿克倫兒童醫(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。

        密歇根大學(xué)醫(yī)療隊(duì)層處理過類似的病例，但這一次他們面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

        醫(yī)療隊(duì)的研究人員先用CT掃描了男嬰的胸腔部位，然后制作出該部位的三維圖像模型�；�于這模型，醫(yī)療隊(duì)制作和打印出了一塊小“夾板”，用來加固男嬰脆弱的氣管，同時(shí)保持氣管暢通。

        這“夾板”堅(jiān)固且柔軟，能夠隨著男嬰的成長(zhǎng)而變大。研究人員稱，“夾板”要在男嬰胸腔內(nèi)呆三年，直到破損的氣管痊愈。因?yàn)椤皧A板”使用一種對(duì)人體無害的可溶性材料制成，男嬰的氣管痊愈后，“夾板”便會(huì)在其體內(nèi)溶解掉。

        將“夾板”植入男嬰體內(nèi)的三周后，戴著呼吸器的男嬰被送回了家中。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。

        什么是3D打印

        顧名思義，3D打印機(jī)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，塑料、金屬等可粘合材料是3D打印機(jī)的“油墨”。

        上世紀(jì)80年代，世界上首款3D打印機(jī)誕生，發(fā)明者是美國工程師查爾斯·赫爾（CharlesHull），該打印機(jī)使用的“油墨”是暴露在空氣中便會(huì)凝為固體的丙烯酸溶液。

        3D打印機(jī)誕生后，汽車、飛機(jī)制造商便可在計(jì)算機(jī)上畫出復(fù)雜的零件設(shè)計(jì)圖，然后打印出來�，F(xiàn)在，這種應(yīng)用已經(jīng)十分普遍了。

        3D打印技術(shù)引發(fā)了美國人的熱議，其中一項(xiàng)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是，是否該允許公民用3D打打印機(jī)打印槍械。

        現(xiàn)在3D打印機(jī)可使用的打印材料包括塑料、金、銀、其它金屬、陶瓷、蠟等。有興趣的人只要支付一小筆費(fèi)用，就能3D打印出自己的頭像玩偶。

        體外醫(yī)療器械

        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，我們都會(huì)在雜志、報(bào)刊上看到利用3D打印機(jī)修復(fù)受損心臟、四肢、手指、神經(jīng)的報(bào)道。

        3D打印技術(shù)的倡導(dǎo)者認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)能讓人類享受更多民主，因?yàn)榭纱蛴〉臇|西越來越個(gè)人和私密。不管你相信與否，我們正在用3D打印技術(shù)，“克隆”自己。

        去年六月的阿彭斯思想節(jié)上，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3DSystems公司的工業(yè)設(shè)計(jì)師斯科特·薩米特（ScottSummit）。

        3DSystems的創(chuàng)始人是3D技術(shù)發(fā)明家查爾斯·赫爾（CharlesHull），如今該公司已成長(zhǎng)為全球領(lǐng)先的3D打印機(jī)和3D服務(wù)供應(yīng)商。

        3DSystem的3D打印金屬矯正牙套Invisalign頗受歡迎。Invisalign牙套使用透明材料制成，為病患量身定做。3DSystem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，直到病患的牙齒問題被徹底解決。

        如今，3DSystem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。

        不過要想修復(fù)彎曲的脊椎，佩戴者必須無時(shí)無刻不佩戴著3DSystem的產(chǎn)品，多數(shù)孩子似乎不愿承受這“痛楚”。

        斯科特·薩米特指出，現(xiàn)在的青少年不愛外出和運(yùn)動(dòng)，他們更愿意在電腦前呆一整天，這對(duì)成長(zhǎng)中的脊椎非常不利。但他同時(shí)也表示，對(duì)孩子們不愿意戴著3D打印脊椎的心情可以理解。他說：“幾年前我做過脊柱手術(shù)，術(shù)后幾個(gè)月我一直使用類似的支架，那東西很不舒服”。

        但斯科特·薩米特強(qiáng)調(diào)，3DSystem的3D打印脊椎由精細(xì)研磨的尼龍粉末制成，既輕便又透氣，加上是為佩戴者量身定制，就像穿衣服一樣不會(huì)有任何不舒服的感覺。

        斯科特·薩米特表示，該公司已經(jīng)在22個(gè)女孩間進(jìn)行了測(cè)試，他希望未來這種產(chǎn)品能得到更廣泛的應(yīng)用。

        在阿彭斯思想節(jié)當(dāng)天，斯科特·薩米特還將46歲的阿曼達(dá)帶上了舞臺(tái)。1992年的一場(chǎng)滑雪事故讓阿曼達(dá)失去了她的雙腿�，F(xiàn)在，她是一家?guī)椭�癱瘓人士的基金會(huì)的主管。

        2013年，3DSystems的研究人員找上了阿曼達(dá)。研究人員先用儀器掃描了她的下半身，然后用柔軟的尼龍纖維打印出殘缺的軀干、小腿和大腿。隨后，研究人員將3D打印四肢裝到了EksoBionics公司的電動(dòng)護(hù)腿上。就這樣，一套定制的人類“下半身”誕生了。阿曼達(dá)穿上了它，并開始練習(xí)慢慢行走。

        3D打印植入體

        在此之前，3D打印技術(shù)多被用來打印假肢。但最近，越來越多的例子證明，3D打印物體被用在人體內(nèi)部也同樣管用。

        3DSystems將自己的技術(shù)提供給制作定制膝關(guān)節(jié)植入體的Conformis公司。今年早些時(shí)候，威爾士的一名外科醫(yī)生，利用該技術(shù)為29歲男子史蒂芬·鮑爾重塑了面部骨骼。

        鮑爾在一起摩托車事故中傷及頭骨，左臉頰、眼窩、上顎多部位脫落。通過掃描鮑爾“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，然后打印出假體，并植入鮑爾的頭部臉上。

        最近，蒙特斐奧醫(yī)院的OrenTepper博士將3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用提升到了新水平。

        2012年，OrenTepper博士接手了一個(gè)名叫杰拉的女嬰。這個(gè)女嬰先天下巴殘缺，經(jīng)常性呼吸困難。通常來說，醫(yī)院可為這種患者進(jìn)行頜骨重建，但這種骨移植手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大，以杰拉當(dāng)時(shí)的年齡并不適合。

        OrenTepper博士為杰拉做了頭部掃描，用3D打印機(jī)打印出理想的下顎模型。OrenTepper博士打算改變杰拉的下顎形狀，使其與模型匹配。

        然后，OrenTepper博士打印出適合杰拉下巴的三維模具。模具上有狹縫和空洞，讓他能在不損害杰拉面部神經(jīng)的前提下植入東西。最后，他給杰拉的下巴裝了個(gè)棘輪。

        每天，OrenTepper博士會(huì)將杰拉的下巴向前“拖拽”一毫米，以促進(jìn)其骨細(xì)胞生長(zhǎng)。幾周后，杰拉的下巴已經(jīng)長(zhǎng)得和普通孩子無異了。

        現(xiàn)在，OrenTepper博士每年都要治療兩至三個(gè)有類似殘疾的孩子。

        OrenTepper博士說：“如果沒有3D打印技術(shù)，復(fù)雜的重建手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很大，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)還會(huì)給醫(yī)療帶來更大飛躍。

        多年來，研究人員一直致力于再造腎臟、肝臟、器官、軀體。但在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行細(xì)胞組織培養(yǎng)已經(jīng)十分困難，而3D打印讓我們看見了新的希望。

        上世紀(jì)90年代，維克森林再生研究所所長(zhǎng)安東尼·阿達(dá)拉（AnthonyAtala），開始在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)可降解支架人類膀胱細(xì)胞。他培養(yǎng)的細(xì)胞呈袋狀，后來被成功植入7名膀胱功能較差的孩子體內(nèi)。

        安東尼·阿達(dá)拉的這一成就引起了軒然大波，被認(rèn)為是再造人體器官史上首次真正的勝利。在他之前，科學(xué)家也許能用3D技術(shù)打印出聚合物支架上的氣管細(xì)胞、心肌細(xì)胞、腎細(xì)胞，但始終未能使其成長(zhǎng)為成熟器官。

        當(dāng)越來越多的科學(xué)家努力在實(shí)驗(yàn)室里再造人體器官，問題的關(guān)鍵已不再是他們能否成功，而是如何成功。

        世界上首款顯微鏡誕生于16世紀(jì)，和望遠(yuǎn)鏡差不多的時(shí)間。望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡帶來宏觀和微觀領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。然而讓天文學(xué)家從三維角度理解宇宙很容易，讓細(xì)胞學(xué)家從三維角度理解微觀世界卻很難。

        長(zhǎng)久以來，人類對(duì)微觀世界的理解一直停留在二維水平。其中一個(gè)主要原因是，顯微鏡下的標(biāo)本必須被放在薄玻璃片上。如果說讓生物學(xué)家從三維立體角度理解組織和器官已經(jīng)非常難，那就更別說將它們重建出來了。

        首先，研究人員將內(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、二氧化碳和水蒸氣。在這樣的環(huán)境條件下，內(nèi)皮細(xì)胞能存活數(shù)周。但即便是最資深的研究人員，也無法控制內(nèi)皮細(xì)胞自組膠原基質(zhì)。

        結(jié)構(gòu)對(duì)生物系統(tǒng)正常運(yùn)行十分重要，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”，球蛋白幫助紅血球?qū)⒀鯕廨斔偷饺梭w組織中。當(dāng)基因發(fā)生突變，球蛋白崩潰堵塞血管。

        直到現(xiàn)在，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。

        萊斯大學(xué)的生物工程師喬丹·米勒（JordanMiller）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。

        生物學(xué)家希望都希望能解決這一問題，在塑料或環(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

        哈佛材料學(xué)家珍妮佛·劉易斯（JenniferLewis）稱：“之前我看TED演講，有個(gè)人說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，形狀像腎不一定就是腎，科學(xué)家不該給人錯(cuò)誤的期望”。

        今年50歲的劉易斯留著短發(fā)，戴無框眼鏡，是一位友好而有禮貌的人。盡管對(duì)3D打印組織、器官持謹(jǐn)慎態(tài)度，但她的研究也在向這一新技術(shù)領(lǐng)域偏移。

        今年2月，劉易斯和研究生大衛(wèi)（DavidKolesky）發(fā)表了一篇論文，論文描述了一種用先進(jìn)材料保證打印出的細(xì)胞能大量增殖的新方法。

        在論文中他們提到，通過專門的3D打印機(jī)，他們能打印出類似人體內(nèi)的蛋白矩陣和活細(xì)胞類型。重要的是，他們?cè)O(shè)法為這些細(xì)胞組織建立了血管網(wǎng)絡(luò)，就像真正的血管一樣，這些血管網(wǎng)絡(luò)可以為細(xì)胞提供維持生命的營養(yǎng)。

        劉易斯指出，他們還沒有實(shí)現(xiàn)3D打印器官，但卻是邁進(jìn)了一大步。她說：“我們稱這為3D生物打印，是生物歷史上的重要一步”。

        劉易斯生長(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)候劉易斯被招募到一個(gè)陶瓷工程項(xiàng)目小組，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)會(huì)。劉易斯喜歡陶瓷的特殊屬性，陶瓷是很多高科技電子產(chǎn)品的關(guān)鍵材料。

        1990年，劉易斯回到香檳分校任教，并開始從事3D打印的研究。她認(rèn)為，3D打印技術(shù)是按體素構(gòu)造材料的完美工具。她說：“三十年前如果你想3D打印某個(gè)東西，會(huì)用紫外線固化樹脂或熱塑性塑料，做出來的基本上就是原型或模具，這不是我想要的”。

        2001年，劉易斯開始與材料工程師斯科特·懷特（ScottWhite）合作。

        在此之前，懷特和同事南茜用3D打印機(jī)創(chuàng)建出一種充滿微膠囊的新材料，新材料的微膠囊里充滿特殊的愈合劑，當(dāng)材料受到磨損時(shí)，微膠囊就會(huì)打開并釋放愈合劑量。微膠囊中的愈合及是單體，當(dāng)被釋放及遇到材料中的其它化學(xué)物質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并修復(fù)潛在裂縫。

        劉易斯加入懷特的團(tuán)隊(duì)后，研究人員開始意識(shí)到，這種新型材料應(yīng)當(dāng)有自己的微通道，方便愈合劑達(dá)到裂縫，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。

        最初，他們用加熱時(shí)會(huì)融化的蠟基“油墨”作為打印材料。2011，路易斯開始開發(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，但在冷卻至略高于冰點(diǎn)時(shí)，就會(huì)變成液體。

        劉易斯和懷特用3D打印機(jī)打印出了嵌入普朗尼克網(wǎng)絡(luò)的塑料物體。該物體被冷卻后，液化的普朗尼可被吸出，留下一條“通道”。

        劉易斯認(rèn)為，這種材料給他們提供了在3D打印器官中嵌入微血管網(wǎng)絡(luò)的方法，具有廣泛的影響和意義。

        事實(shí)上，劉易斯的方法只是諸多打造復(fù)雜3D打印器官方法其中之一。布萊根婦女醫(yī)院和卡卡耐基梅隆大學(xué)的研究人員，正開發(fā)磁控制“微型機(jī)器人”，這種機(jī)器人將細(xì)胞儀預(yù)先安排的結(jié)構(gòu)排列。

        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)劉易斯的工作贊不絕口，稱劉易斯是“世界級(jí)的佼佼者”。

        革命性改變

        研究人員對(duì)自己的工作充滿熱情，相信3D打印能給醫(yī)藥行業(yè)帶來革命性改變。

        生物學(xué)家認(rèn)為，每年國家、企業(yè)花費(fèi)巨額資金開發(fā)藥物，其中不少都打了水漂。如果3D打印組織成為可能，那么醫(yī)院就能在病患服用藥物、接受治療前進(jìn)行測(cè)試，觀察有沒有什么副作用之類。

        當(dāng)然，研究人員也知道，3D打印器官需要解決的問題還有很多。就像劉易斯說的：“3D打印器官是人類另一個(gè)登月項(xiàng)目，很難，但絕對(duì)值得一試”。

        來源：湯國平看國療