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科学家用一台MakerBot 3D打印出人体气管

发布时间: 2015-01-29 07:05 来源: 天工社 作者: 网络 点击: 我要评论 条评论)

近日,美国北岸-LIJ医疗集团(NorthShore-LIJHealthSystem)下属Feinstein医学研究所的研究人员在3D打印医疗方面获得了新的突破:他们用一台普通的MakerBot3D打印机以及该公司生产的PLA线材打印出了一个定制的气管支架,该支架能够与活细胞结合生成一段活的气管!

一般来说,人类的气管是比较容易受到损害的器官之一,这些伤害可能来自肿瘤、气管插管,钝伤等。同时也可能出现气管变窄或各种缺陷,而且往往难以修复。目前医学界常用的重建受损器官的两种方法都有其局限性。

Goldstein先生是Hofstra北岸LIJ医学院的博士生,在过去的一段时间里,他一直在与北岸-LIJ医疗集团的一群医生合作,以探索如何将3D打印和组织工程技术用于人体气管的修复和更换。医生们原本推测,这个研究项目可能需要持续10到20年,但Goldstein先生和Feinstein研究所的团队只用了一个月。

Feinstein研究所的研究人员已经知道如何将软骨细胞与营养成分混合在一起培养,然后与胶原蛋白结合,使其形成软骨。但是要将其塑造成鼻骨或气管的形状还需要3D打印的帮助。3D打印机可以构造出支架,然后研究人员在其上覆盖软骨细胞和胶原蛋白的混合物,使其长成软骨。

“制作一个气管是未知的领域。”Goldstein先生指出:“它必须具有足够的刚性,以承受咳嗽、打喷嚏等压力变化,还要有足够的柔性,让脖子自由移动。通过3D打印机,我们能够很快打印出支架并交给外科医生立即检验,然后我们可以共同努力,实时修改设计。”

研究团队改装了一台MakerBotReplicator2X3D打印机,让其中的一个挤出机挤出PLA,而另外一个挤出机则挤出生物材料。“3D打印技术给了我们在几个小时内完成原型、检验、触摸、感受,然后重新设计的能力。”Cohen儿童医学中心耳鼻喉科负责人LeeSmith博士说:“如果我们将这些设计送到商业服务机构,那么这个周期就会拉长到几个星期。我们今天就不可能获得这些成果。”

Feinstein研究所之前也考察了一些可以直接挤出活细胞的3D打印机,但它们的功能比较少,而且价格昂贵。一台专门的生物打印机往往要价18万美元。而他们的目的主要是为了验证自己的理念,于是他们决定用更实惠、方便的MakerBot3D打印机。

本来,Goldstein先生认为,他需要某种无菌、而且能够在体内溶解的特制PLA材料。然而,由于时间比较紧,他们决定先试试普通的MakerBotPLA线材。“PLA的优势在于它能够用于各种外科植入设备。”Smith博士说。通过测试,Goldstein先生发现,PLA打印时挤出机热端产生的高温可以起到消毒的效果,这样普通的MakerBotPLA线材也可以使用。

而需要保持室温的生物墨水,则使用另外一个挤出机,在打印过程中被注入PLA支架的缝隙中,然后在MakerBot的热床上固化成凝胶。一个两英寸长的气管段——形如中空的巧克力棒——只需不到两个小时就可以打印完毕。一旦生物油墨粘附到支架上,就会被送入一个生物反应器,这个生物反应器有点像烤炉,主要是为了保持有利于细胞生长的温度。不过一台新的生物反应器市场售价在5万到15万美元之间。于是Goldstein先生就根据自己的需求用3D打印机打印出了齿轮等部件,自己DIY了一台定制的生物反应器。

日前,Goldstein先生和Zeltsman博士在圣迭戈举办的胸外科学会第51届年会上发表此项研究成果,展示了如何在孵化器内用四个星期制作出一个3D打印的气管或气管段。据Goldstein先生总结说:“细胞可以在3D打印过程中存活,并能够继续分裂,并产生最终形成软骨的细胞外基质。”换言之,它们会像气管软骨一样生长。

不过,Feinstein研究所目前的工作仍然属于“概念验证”的性质。开发团队在确定将其用于气管修复之前还有很多工作要做。Smith博士预计,未来五年内他们能够做到收集病人的细胞,并让它在支架上生长,以修复气管。

(责任编辑:单刀)
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