3D打印把骨組織不再是“畫(huà)餅充饑”

骨組織工程學(xué)為骨缺損修復提供希望

在過(guò)去的十多年里，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始用組織工程學(xué)的手段，在實(shí)驗室里培養制造人體器官(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，而且是用打印機直接打出來(lái)。

自骨外科手術(shù)時(shí)代開(kāi)啟一百年以來(lái)，骨缺損就一直是個(gè)困擾醫學(xué)界的大難題。迄今為止，人類(lèi)使用的自體移植骨、異體移植骨、異種骨都不能滿(mǎn)足廣泛的、復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90年代以來(lái)的骨組織工程學(xué)(Bone Tissue Engineering，BTE)則為骨缺損修復提供了長(cháng)期希望。

骨組織工程學(xué)(BTE)的基本思路：干細胞+支架材料+構建。一個(gè)完整的BTE是由四個(gè)不可或缺的要素構成的：多能分化的干細胞，能夠在體內外發(fā)展為成骨細胞，繼而生成骨細胞;干細胞發(fā)育生長(cháng)的骨架、通常是具備生物活性、模擬人體微孔結構的的無(wú)機或有機材料;促進(jìn)分化、成骨和骨組織成熟的各種細胞因子;新骨發(fā)育和修復過(guò)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(wèn)題，是實(shí)現以上各個(gè)要素的整合，真正建構出一個(gè)組織工程骨來(lái)。

借3D打印把骨組織直接打印出來(lái)

骨組織工程學(xué)這么好，在臨床應用方面的進(jìn)展卻只能用“慢慢吞吞”來(lái)形容。遲緩的原因，最主要就兩個(gè)：一是復雜而慢;二是不經(jīng)濟。骨缺損的修復不容許有漫長(cháng)時(shí)間的等待，如曠日持久的實(shí)驗室制備、合成、培養，這也會(huì )讓治療的經(jīng)濟代價(jià)高得不切實(shí)際，骨缺損的更需要有個(gè)性化的方案。正如到上海兒童醫學(xué)中心求治的“外星人男嬰”，主刀醫生鮑南就表示，每一例狹顱癥的矯形手術(shù)都是獨一無(wú)二的。

在1999—2004年這段時(shí)間里，3D打印開(kāi)始被用于細胞支架材料的打印，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)立體結構來(lái)呢?有位俄羅斯科學(xué)家Mironov認為，這是可行的。2009年，Mironov先生首先用計算機模擬出一個(gè)骨缺損部位的立體形態(tài)，然后進(jìn)行3D的細胞、支架、成骨因子“一攬子”打印，再在培養箱里進(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(chēng)之為“生物復制”。這個(gè)在骨科領(lǐng)域提出的“生物復制”概念，準確地說(shuō)，是用當時(shí)還很新潮的3D打印技術(shù)，把骨組織直接打印出來(lái)。

3D打印技術(shù)應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(guò)程中，主刀醫生鮑南表示，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)驗實(shí)施，到底效果如何只能等手術(shù)結束，頭皮縫合完后才能看出來(lái)?，F在運用3D打印技術(shù)，術(shù)前就按1∶1的比例重現了畸形的頭骨，鮑南醫師一邊在腦中想象著(zhù)裁剪方案，一邊在這個(gè)立體的、真實(shí)的頭骨模型上畫(huà)下了手術(shù)切割線(xiàn)。實(shí)物模型不僅為手術(shù)方案提供精準指南，還可以通過(guò)提前測量父母面部數據，為患兒塑形后的面容體現父母特征提供依據。

骨打印會(huì )變得越來(lái)越方便越來(lái)越快速

在Mironov的啟發(fā)下，歐洲、美國的多支研究團隊開(kāi)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(chēng)“立體光雕”)技術(shù)。方法是，將細胞、蛋白質(zhì)分子培養在一個(gè)基質(zhì)溶液池子里，然后將激光束或紫外線(xiàn)射入這鍋“細胞湯”，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(guò)控制光照的方向可以制造出3維形狀的固體出來(lái)。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(lái)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那樣的簡(jiǎn)易設備，不但廉價(jià)、安全、而且高度自動(dòng)化。用這種方式打印出來(lái)的3D骨還具有很好的微孔性能，便于細胞的移動(dòng)和增殖。缺點(diǎn)就是無(wú)法打那些體型較大的干細胞，沒(méi)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)?？梢哉f(shuō)，骨打印會(huì )變得越來(lái)越方便、越來(lái)越快速，在3D打印一次性構建新生骨的同時(shí)，科學(xué)家們還通過(guò)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(lái)的骨組織，在植入體內后，能夠快速吸引新生血管的長(cháng)入、鈣磷等礦物質(zhì)的沉淀、以及血液中各種細胞因子的匯聚，使得3D打印骨在最短的時(shí)間里變得堅固、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(lái)了經(jīng)濟、高效、個(gè)性化的福音，還能夠被用于藥物試驗、以及各種少見(jiàn)的骨疾病的研究，大大地改變我們的世界。

未來(lái)的3D打印骨，一定是在各項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(xiě)地問(wèn)醫生：“您是要噴墨的，還是要激光打印?”