3D打印把骨組織不再是“畫餅充饑”

骨組織工程學(xué)為骨缺損修復(fù)提供希望

在過去的十多年里，科學(xué)家們已經(jīng)開始用組織工程學(xué)的手段，在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)制造人體器官(例如耳朵)，而今天科學(xué)家們更多地在探索骨骼領(lǐng)域的組織再造，而且是用打印機(jī)直接打出來。

自骨外科手術(shù)時(shí)代開啟一百年以來，骨缺損就一直是個(gè)困擾醫(yī)學(xué)界的大難題。迄今為止，人類使用的自體移植骨、異體移植骨、異種骨都不能滿足廣泛的、復(fù)雜情況下的治療需要，且這樣那樣的各種植骨并發(fā)癥令人煩惱。上世紀(jì)90年代以來的骨組織工程學(xué)(Bone Tissue Engineering，BTE)則為骨缺損修復(fù)提供了長(zhǎng)期希望。

骨組織工程學(xué)(BTE)的基本思路：干細(xì)胞+支架材料+構(gòu)建。一個(gè)完整的BTE是由四個(gè)不可或缺的要素構(gòu)成的：多能分化的干細(xì)胞，能夠在體內(nèi)外發(fā)展為成骨細(xì)胞，繼而生成骨細(xì)胞;干細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)的骨架、通常是具備生物活性、模擬人體微孔結(jié)構(gòu)的的無機(jī)或有機(jī)材料;促進(jìn)分化、成骨和骨組織成熟的各種細(xì)胞因子;新骨發(fā)育和修復(fù)過程中所必需的血液循環(huán)。除了具備以上四個(gè)因素外，還有一個(gè)最關(guān)鍵、也是最難的問題，是實(shí)現(xiàn)以上各個(gè)要素的整合，真正建構(gòu)出一個(gè)組織工程骨來。

借3D打印把骨組織直接打印出來

骨組織工程學(xué)這么好，在臨床應(yīng)用方面的進(jìn)展卻只能用“慢慢吞吞”來形容。遲緩的原因，最主要就兩個(gè)：一是復(fù)雜而慢;二是不經(jīng)濟(jì)。骨缺損的修復(fù)不容許有漫長(zhǎng)時(shí)間的等待，如曠日持久的實(shí)驗(yàn)室制備、合成、培養(yǎng)，這也會(huì)讓治療的經(jīng)濟(jì)代價(jià)高得不切實(shí)際，骨缺損的更需要有個(gè)性化的方案。正如到上海兒童醫(yī)學(xué)中心求治的“外星人男嬰”，主刀醫(yī)生鮑南就表示，每一例狹顱癥的矯形手術(shù)都是獨(dú)一無二的。

在1999—2004年這段時(shí)間里，3D打印開始被用于細(xì)胞支架材料的打印，這可是個(gè)革命性的進(jìn)步，骨組織工程學(xué)治療所需的生物支架材料可以不受批量生產(chǎn)的限制，隨時(shí)打印隨時(shí)取用了。

是否可以用3D打印的方式，直接將細(xì)胞、蛋白分子和支架材料一股腦兒地直接打印出一個(gè)立體結(jié)構(gòu)來呢?有位俄羅斯科學(xué)家Mironov認(rèn)為，這是可行的。2009年，Mironov先生首先用計(jì)算機(jī)模擬出一個(gè)骨缺損部位的立體形態(tài)，然后進(jìn)行3D的細(xì)胞、支架、成骨因子“一攬子”打印，再在培養(yǎng)箱里進(jìn)行短時(shí)間的“孵育”，然后就可以把這個(gè)完全個(gè)性化地、同時(shí)具備人體新生骨骼一切必備要素的3D打印骨，移植在患者身上。Mironov把這個(gè)稱之為“生物復(fù)制”。這個(gè)在骨科領(lǐng)域提出的“生物復(fù)制”概念，準(zhǔn)確地說，是用當(dāng)時(shí)還很新潮的3D打印技術(shù)，把骨組織直接打印出來。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨組織的直接打印，發(fā)展到今天，已經(jīng)日漸成熟。在“外星人男嬰”的治療過程中，主刀醫(yī)生鮑南表示，以前進(jìn)行顱骨矯形手術(shù)全靠術(shù)中解剖后按實(shí)際情況憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，到底效果如何只能等手術(shù)結(jié)束，頭皮縫合完后才能看出來?，F(xiàn)在運(yùn)用3D打印技術(shù)，術(shù)前就按1∶1的比例重現(xiàn)了畸形的頭骨，鮑南醫(yī)師一邊在腦中想象著裁剪方案，一邊在這個(gè)立體的、真實(shí)的頭骨模型上畫下了手術(shù)切割線。實(shí)物模型不僅為手術(shù)方案提供精準(zhǔn)指南，還可以通過提前測(cè)量父母面部數(shù)據(jù)，為患兒塑形后的面容體現(xiàn)父母特征提供依據(jù)。

骨打印會(huì)變得越來越方便越來越快速

在Mironov的啟發(fā)下，歐洲、美國(guó)的多支研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了符合上述理念的3D打印骨制造技術(shù)。其中具有代表性的有“光固化成型”(或稱“立體光雕”)技術(shù)。方法是，將細(xì)胞、蛋白質(zhì)分子培養(yǎng)在一個(gè)基質(zhì)溶液池子里，然后將激光束或紫外線射入這鍋“細(xì)胞湯”，池子里的基質(zhì)液體是光敏感性的，受照射后就快速凝固，通過控制光照的方向可以制造出3維形狀的固體出來。這就好比是在家里自制布丁，所不同的是，用這種方法做出來的，是一個(gè)布丁液中的特殊形狀布丁。立體光雕法的好處在于成型快速，但是缺點(diǎn)是每一層固化體之間的細(xì)胞流動(dòng)和溝通不太通暢。

還有一種方法叫“生物墨水”技術(shù)，所用到的就如普通打印機(jī)那樣的簡(jiǎn)易設(shè)備，不但廉價(jià)、安全、而且高度自動(dòng)化。用這種方式打印出來的3D骨還具有很好的微孔性能，便于細(xì)胞的移動(dòng)和增殖。缺點(diǎn)就是無法打那些體型較大的干細(xì)胞，沒辦法，還是噴嘴的緣故。

此外還有Bio-Plotting等簡(jiǎn)單易行的注射打印技術(shù)。可以說，骨打印會(huì)變得越來越方便、越來越快速，在3D打印一次性構(gòu)建新生骨的同時(shí)，科學(xué)家們還通過基質(zhì)(支架)材料不斷優(yōu)化、微孔性能不斷改良的努力，使得這種3D打印出來的骨組織，在植入體內(nèi)后，能夠快速吸引新生血管的長(zhǎng)入、鈣磷等礦物質(zhì)的沉淀、以及血液中各種細(xì)胞因子的匯聚，使得3D打印骨在最短的時(shí)間里變得堅(jiān)固、與人體自身的骨骼融為一體。

3D打印的骨組織不僅為臨床上大量的骨缺損患者帶來了經(jīng)濟(jì)、高效、個(gè)性化的福音，還能夠被用于藥物試驗(yàn)、以及各種少見的骨疾病的研究，大大地改變我們的世界。

未來的3D打印骨，一定是在各項(xiàng)性能上與人體骨骼更加接近，并且能夠隨時(shí)打印、隨時(shí)植入的，其方便程度，也許技術(shù)人員只需像今天的打字員那樣，輕描淡寫地問醫(yī)生：“您是要噴墨的，還是要激光打印?”