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生物3D打印“黄埔军校”在广州
3D打印组织和器官已在实验阶段 为生物3D打印打上“广州智造”印记

来源:广州日报  作者:文静  2018-02-12 08:43:02



3D打印的肾脏肿瘤模型


“咔嚓、咔嚓咔嚓……”一台生物3D打印机正在实验室内“努力”工作,大约1天时间,一个用于手术前诊断的心脏模型就能“打”出来。被称为人类第三次工业革命的3D打印技术作为一种快速成型技术,近年在医疗领域应用广泛。全球第一台生物3D打印机在美国诞生,经过近10年努力,我国生物3D打印研究团队、医疗团队已从“并跑”变成了“领跑”的角色。位于广州高新技术产业开发区的广州迈普,被称为“中国生物3D打印黄埔军校”,其研发的硬脑(脊)膜“睿膜”是世界上第一款生物3D打印软组织修复补片,并达到量产化。去年10月,广东省人民医院建立的心血管3D打印联合实验室落户广州,将生物3D打印创新性地使用在辅助复杂手术、教学应用、心脏动力学研究和临床应用等领域。

目前,全球能真正植入人体的3D生物打印产品几乎还没有,更多的是适用于临床研究阶段的药物开发和疗法测试。不过,随着生物3D打印技术的不断演进,业界预期,在未来15~20年,只出现在科幻电影中的人造组织、器官有望成为现实。届时,将掀起新一轮医学发展带来颠覆性的革命。

打印心脏模型助手术前诊断减低风险

近年,伴随着生物3D打印这项“黑科技”,在我国创新性地应用,为医院的手术前诊断、辅助复杂手术以及实验室研究“悄然”带来一场变革。日前,广州市妇女儿童医疗中心就借助生物3D打印技术,为一位患有唇腭裂的新疆小女孩成功手术。如今,这位小孩子终于能像正常孩子一样张大嘴巴,并且有望与正常孩子一样拥有一口整齐的牙,甚至看不出差别。

据了解,这位小女孩患有一种叫“先天性唇腭裂伴上下颌骨磨牙区畸形融合”罕见病,已经3岁的她从未张开过嘴巴,仅依靠唇腭裂处的裂隙进食。由于小女孩口腔内的骨骼非常复杂,肉眼无法仔细观察,而且传统CT、核磁共振(MRI)等获得的医学影像仅是二维图像。于是,市妇女儿童医疗中心就利用3D打印制作出1:1的疾病模型,医生把手术方案在电脑上和3D模型上各模拟了一次,才最终确定手术方案。终于,手术获得了成功。

广州市妇女儿童医疗中心颌面外科—唇腭裂中心主任崔颖秋表示,当时这位新疆小女孩的病例是属于国内罕见的,仅有5例,通过3D打印技术进行“预手术”后,在正式手术过程中,能更加精准。“当前3D打印技术对医疗的帮助,是让以往传统手段无法解决的罕见、复杂的病情获得新的解决方式”。

除了为罕见病例提供更直观、更全面的术前规划及手术模拟外,通过3D打印出来的“模型”还能大大地缩短手术的时间,减低风险。

早前,广东省人民医院心血管研究所利用3D打印技术为一位2岁“先心儿”进行了手术。据了解,由于患者的病情复杂,起初医生们的诊断意见出现分歧,随后根据患儿心脏CT扫描影像制作的3D心脏模型确诊是肺动脉闭锁。同时,在手术过程中,3D心脏模型也发挥了重要作用——手术团队利用模型将原先要花两三个小时才能找血管,仅用了30分钟就找到了,也就是说手术最难的部分耗时减少了5/6。术后,这位小儿患者迅速度过了危险期,各项指标都令人满意。

生物3D打印技术在心血管领域上的使用不止于此。去年10月,广东省人民医院、广东省心血管病研究所和国内3D打印科技团队共同打造的全国首家心血管3D打印实验室正式落户广州。本报全媒体记者在该实验室看到,目前十多个利用3D打印技术打印出来的“心脏”模型在展示,同时,有两台3D打印机在实验室内运行。“医生在临床过程中,利用这些立体三维的心脏模型对患者进行诊断以及辅助手术”。实验室技术人员表示,通过生物3D打印技术进行辅助,缩减了手术的时间,根据目前实际案例的粗略估计,大概能将手术时间缩减2~3小时。至于费用方面,打印一个“心脏”模型,目前费用是4000元~5000元,时间约需1~2天。

据了解,这实验室打印出来的3D心脏模型与真的心脏的相似度、精准度,从最初的四~五成,已经提升至90%以上。中华医学会胸心外科分会主任委员、省医院长庄建早前接受本报采访时表示,“现在启动了3D打印模型第一步,多种材料打印,已经实现术前精准诊断、辅助确定手术方案和术中导航”,正在探索的是在模型上进行血流动力学模拟,预计在2年内可应用于术前方案筛选、术后评估等方面,可极大提高手术有效性及安全性。

广州团队将生物3D打印带入产业化商品化阶段

被称为“新一轮医疗革命”的生物3D打印远不仅是“停留”手术前建模、术后评估这一阶段。业界普遍认为,生物3D打印的应用主要有三个阶段:首先是体外手术模型,目前在国内乃至全球范围内应用得最多,也是较为成熟的技术。第二阶段是打印可用于植入人体的类组织和器官,而“终极目标”是利用细胞打印出活性器官和组织,也就是我们经常说的“3D打印人体组织和器官”,是全球生物3D打印巨头和再生医学科研人员共同“攻克”的目标。

据了解,当前第二阶段的成果在全球已逐渐“走出”实验室,“尝试性”地应用在临床上。2011年,迈普研发出第一代人工硬脑(脊)膜产品——“睿膜”。这块“膜”相当神奇,外形轻薄如一张纸巾,它以合成生物高分子材料构成网状结构,内部可是有千万个与人体自身结构相似的微孔。

在医学界,治疗脑膜破损主要是历经了三代技术,最开始是利用患者身上的皮肤,例如手臂、臀部的皮肤;之后是从猪、牛等动物身上提取组织,经过去毒化处理,制作出适合人体植入的产品,但对病人来说存在一定的动物疾病传播风险;目前团队所做的利用高分子3D打印是属于第三代技术,这个高分子“膜”放入人体后,会直接贴合在脑部手术患者的脑膜破损处,病人自体细胞会渐渐找到这里,仅两周后,大多数细胞就连成了片,形成新生组织。等完成任务后,这块薄膜就会自行降解成无害的水和二氧化碳。

它不仅是世界上第一个利用生物3D打印生产的硬脑(脊)膜,更是首个成功产业化和商品化的软组织3D打印产品。2014年4月,中国国家食品药品监督管理总局授予广州迈普“睿膜”产品注册证,这标志着中国第一个生物3D打印软组织产品正式开始应用,该膜片获得了欧盟、印度等的权威注册证。

经过团队的努力,如今这块“薄膜”除了陆续进入广东等国内医院,更出口到国外,被国外医疗机构所采用。

值得一提的是,坐落于广州高新技术产业开发区的迈普再生医学科技有限公司成立于2008年,是我国首家应用生物3D打印技术开发植入医疗器械、开展精准医疗服务的高新技术企业。

除了“睿膜”外,该团队研发的PEEK颅颌面修补系统也打破了欧美企业的垄断,“以往颅脑骨患者损伤的患者,如果要进行PEEK材质的修补手术,需在国外定制产品,不仅价格高达十多万元人民币,而且等待周期至少一个月,甚至更长。但是现在的‘国产’的价格仅是前者的三分之二,也无需长时间等待。”该团队的技术人员唐学文表示。

获67项授权专业 与跨国巨头同台竞技

“全球生物3D打印技术发展历史不长,我国在这一领域的研究以清华大学、西安交大等高校、研究机构为代表,产业以迈普医学等国内团队为代表,几乎与国际上同期开展研究和产业化开发,某些局部领域取得了一批重要的成果,临床上也得到初步应用。”迈普再生医学科技有限公司总经理助理罗林波告诉记者。

如今,生物3D打印涉及到医学领域越来越广,而应用也逐渐广泛,包括心血管、骨科、神经外科、泌尿科、肝脏等。因此,作为我国首个生物3D打印的研发平台,从2015年正式对外开放,目的是吸引更多的医生、高校人才、研究员等加入,目前迈普平台上除了拥有医学、生物工程、骨科、神经外科等专业人员外,还有研究细胞学、材料科学、生物材料、机械工程、计算机等科研人才,从而“碰撞”出更多的火花,让生物3D打印在我国医学上拥有更多的可能性。

据悉,该团队正在研发一项“骨支架”的3D打印技术,将患者骨骼碎掉的部位截取下来,研磨成粉状,混合到自体的细胞,利用自主研发的细胞3D打印“打”出来后,针对患者的缺损部位进行个性化“修复”。这一技术有望大大缩短骨折患者痊愈的时间。

目前,迈普团队已申请国内外专利170多项,获得包括美国、俄罗斯、日本、中国等国授权专利67项。更成为首家进入“全球生物3D打印领导者名单”的中国团队,与皇家飞利浦、惠普、康宁公司等跨国巨头同台竞技。

挑战 打印可植入人体器官预期15~20年

2011年,3D打印移植物开始进入临床应用。然而,经过近8年的时间,世界还没有一个科研团队能真正利用生物3D打印“制造”出人体器官并使用在临床上。

“在医疗领域,因为是关乎到人的生命,科研人员会十分谨慎,而且还有很多前沿学科的共性问题没有解决,所以生物3D打印的人体器官要实现产业化应用,暂时未能实现。”罗林波表示。

专家认为,一些较为简单的3D打印组织将在未来几年应用于临床。第一种可以使用的组织很可能是软骨。在软骨之后投入应用的,有可能是动脉和尿道等空心管状组织,之后,有可能是膀胱等空心器官组织。

目前,包括广州迈普在内的全球知名大型的生物3D打印研发团队和医学研究院都在这个方向上奋力“拼进”。像广州迈普细胞3D打印机3.0,是目前国内最先进的细胞3D打印机,可以打印多种细胞,其中细胞存活率在95%以上。这台自主研发的3D打印机打印出来的“肝脏”已具备人体肝脏部分功能,目前主要用于高校、医院的实验室做前瞻性的研究,但是用于人体治疗还需要时间探索。“打印出来的植入产品只具备一定的功能,但不具备全部的功能。”不过,乐观地预计在未来15~20年能打印出可植入人体的器官了,技术人员唐学文如此说道。

首先,真实的人体器官很复杂,有几十种以上的细胞类型,还需血管系统为这些细胞提供养分。要成功地3D打印出能植入人体的活体器官,就必须创建出真实的血管系统。

其次,从目前来看,还未有足够的实验数据显示,在生物3D打印过程中细胞是否存在发育、变异、肿瘤化等;而且由于是长期植入人体,活体组织和器官也面临免疫排斥等问题。

最后,实验室成功不代表产业化成功,还需要大量的实验验证。在我国,一款3D打印出来的植入产品,必须经过国家食品药品监督管理总局(CFDA)批准才能正式上市。

崔颖秋表示,在外科手术、儿科手术上,尤其在修补缺损组织方面,生物3D打印的利用,已越来越广泛。而打印出能植入人体的器官,当中涉及国家的政策、伦理方面的讨论以及药理实验等问题,但是当前技术已能打印出细胞或者部分组织,随着技术的发展,至少3~5年就会上一台阶。

迈普创始人之一的袁玉宇博士认为,理论上说,干细胞可分化成多种细胞,这让打印器官成为可能,如果使用病人自身干细胞打印出来的器官,可以有效降低病人免疫排斥反应,但器官打印至少还有10年或更长时间才可能转化为实际应用。

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