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3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀與未來
3D打印從開始運(yùn)用于汽車和航天等制造業(yè)，到近幾年應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，打印出組織器官，并且協(xié)助完成手術(shù)，3D打印可謂改變了生產(chǎn)觀念。在醫(yī)療行業(yè)，3D打印人造肝臟組織、3D打印人造耳、3D打印牙冠等出現(xiàn)在人們的視野里，3D打印為器官移植提供了多一種可能，給醫(yī)療行業(yè)帶來了新的希望。
Nature Biotechnology雜志在線發(fā)表一篇文章，文章中，研究人員揭示了一種新型的3D打印技術(shù)——Integrated Tissue and Organ Printing(集成式的組織和器官打印技術(shù))，該打印技術(shù)能夠構(gòu)建出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具備功能的人耳器官、骨骼和肌肉組織，更重要的是這些組織器官融入微通道，能夠維持其繼續(xù)生長形成血管、軟骨等系統(tǒng)，從而發(fā)揮功能。
本文就3D打印的現(xiàn)狀及進(jìn)展做一整理，幫助大家梳理一下該技術(shù)的進(jìn)展情況。
【1】創(chuàng)客學(xué)生利用自制3D打印牙套矯形成功!
由于3D打印技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)幾乎任意的形狀，所以它在牙科領(lǐng)域中的應(yīng)用正在快速增加，因為牙科產(chǎn)品是最需要個性化的。但由于研發(fā)這種東西需要相當(dāng)專業(yè)的知識和設(shè)備(如高精度3D打印機(jī))，所以到目前為止，只有達(dá)到一定規(guī)模的企業(yè)才有實(shí)力將它們做出來。不過，這種情況可能很快就會改變，因為最近，新澤西理工學(xué)院學(xué)生Amos Dudley成功利用3D打印自行制作出了一個可用的牙套!
在自己的博客上，Dudley解釋了他之所以想得到一個牙套是因為他有幾顆牙彎曲的很明顯，不夠美觀。不過由于自己恰好是一名創(chuàng)客，擁有“凡事自己動手”的固執(zhí)天性，所以他沒有去看牙醫(yī)，而是決定嘗試自行解決問題。稍加思考后，他便想到了可行的方案，就是3D掃描自己的牙齒，再3D打印出牙套。
【2】3D打印器官新突破
美國科學(xué)家研發(fā)出了一款可以打印大尺寸“活”組織的3D打印機(jī)，這些組織移植到老鼠身上后能夠長時間地存活，并逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項新的突破使科學(xué)家距離3D打印出真正的組織乃至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。
1986年，美國人查爾斯·赫爾(Charles Hull)發(fā)明了3D打印技術(shù)。在隨后的30年間，尤其是進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著材料科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的進(jìn)展，3D打印技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。如今，你能在網(wǎng)上下載到各式各樣的3D模型文件，用3D打印機(jī)為自己打印一個小擺件。但3D打印技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止局限在給人們的生活增添一抹亮色上：設(shè)計師可以用3D打印機(jī)把自己設(shè)計的作品的模型打印出來，讓客戶有更加直觀的體驗;在工業(yè)生產(chǎn)上，有越來越多的零部件的生產(chǎn)正在使用著3D打印技術(shù)，比如，空中客車公司就宣稱其生產(chǎn)的A350 XWB機(jī)型的飛機(jī)有超過1000種零部件是用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的;科學(xué)家和醫(yī)生能夠用3D打印機(jī)根據(jù)病人的體貌特征，“定制級”地打印出各類植入物，為病人做移植手術(shù)。
【3】3D打印助力精準(zhǔn)醫(yī)療
現(xiàn)今3D打印技術(shù)正如火如荼的滲透到人們生活的各個領(lǐng)域，特別是在醫(yī)藥領(lǐng)域的發(fā)展可圈可點(diǎn)。最大的優(yōu)勢就是3D打印技術(shù)可以依據(jù)病患的特點(diǎn)和要求真正實(shí)現(xiàn)個性化制造，成為輔助精準(zhǔn)醫(yī)療的有力手段。
去年美國食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA)己在全球批準(zhǔn)首款完全用3D打印制作的藥片。這款名為Spritam的藥物由美國Apprecia制藥公司研制，用于治療癲癇癥患者。該藥物獲得批準(zhǔn)意味著個性化定制藥物不再是夢想。一則可以實(shí)現(xiàn)藥物活性成分的個性化定制。再則可以實(shí)現(xiàn)劑量的個性化定制。這種一層一層的打印方法，可以把不同的涂層彼此緊密地結(jié)合一起，因此可以把某種物質(zhì)的最大劑量 ( 據(jù)制藥廠稱，最多1000毫克)置入一粒藥片中。這樣病人可以吞服少量或較小的藥片。三則可以實(shí)現(xiàn)形狀的個性化定制。這對于不喜歡吃藥的兒童來講可謂是再好不過的辦法了，通過3D打印技術(shù)打印出各種有趣的形狀，來哄寶寶吃藥。四則還可通過3D打印技術(shù)使藥物擁有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，改善藥物的釋放行為，從而提高療效并降低副作用。如Apprecia制藥公司應(yīng)用Zipdose技術(shù)推出的可在4秒多就溶解的藥丸。
【4】倫敦醫(yī)生借助3D打印成功完成前列腺腫瘤切除手術(shù)
日前，在London Clinic私立醫(yī)院，Urology Prokar Dasgupta教授成功地為一位來自倫敦的65歲患者Alexander Spyrou先生切除了前列腺腫瘤。在這個手術(shù)中，Dasgupta使用了患者帶腫瘤的前列腺的3D打印模型。據(jù)了解，這個3D打印的前列腺是London Clinic的放射科專家Clare Allen的杰作，它為前列腺手術(shù)帶來了前所未有的變化，尤其是這個腫瘤是在一個特別重要的位置上。
Dasgupta教授解釋說：“在此之前我通常使用機(jī)器人來做前列腺手術(shù)，這種方法的一個缺點(diǎn)就是缺乏觸感。盡管你能夠以3D的方式更清楚地看到目標(biāo)，甚至可以將其放大10倍，但是你失去了最終要的東西——對它的觸覺。而對于這個病人，我能在3D模型中感覺到腫瘤，并能感覺到腫瘤是多么接近表面。通常情況下，我們會在心里想象腫瘤的位置，但是在這里，當(dāng)我遠(yuǎn)遠(yuǎn)地坐在控制臺邊通過Da Vinci機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)時，這個模型就在我的手上。這個模型能夠幫你在癌癥手術(shù)獲得更好地準(zhǔn)確性。”
【5】2019年全球3D打印醫(yī)療市場銷售將達(dá)9.66億美元
3D打印正在多個垂直行業(yè)顛覆制造過程，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致了更多創(chuàng)新、高效的產(chǎn)品出現(xiàn)。日前，市場研究機(jī)構(gòu)Transparency Market Research在其最新的研究報告中，分析了全球3D打印醫(yī)療垂直應(yīng)用市場，預(yù)測從2013年至2019年該市場的年復(fù)合增長率將達(dá)15.4%。而全球3D打印醫(yī)療市場的總銷售額也將從2012年3.545億美元增至9.655億美元。該報告的題目是《3D打印在醫(yī)療應(yīng)用市場——全球行業(yè)分析，大小、份額、增長、趨勢和預(yù)測，2013年—2019年(3DPrinting in Medical Applications Market - Global Industry Analysis， Size， Share，Growth， Trends and Forecast， 2013 - 2019)》。
該報告稱，全球3D打印技術(shù)醫(yī)療應(yīng)用市場主要受到一下幾個因素的推動：各種3D打印醫(yī)療應(yīng)用不斷增加、定制化3D打印醫(yī)療產(chǎn)品的增長趨勢、來自私人和政府機(jī)構(gòu)的資金、能夠擴(kuò)大醫(yī)療應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步，以及3D打印應(yīng)用所帶來的成本和時間的縮短以及相應(yīng)的病人護(hù)理的改善等。該報告同時顯示，3D設(shè)計軟件公司的并購也將在該市場的未來發(fā)展中占據(jù)重要地位。然而，缺乏訓(xùn)練有素的專業(yè)人員和材料相關(guān)的問題有可能阻礙到3D打印在醫(yī)療應(yīng)用市場上的擴(kuò)展。
【6】Nat Biotech：3D打印革命性進(jìn)步!打印可移植器官
在最近一項發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Biotechnology上的研究中，科學(xué)家首次使用3D打印機(jī)以活細(xì)胞為“墨水”制造出人類真實(shí)大小的器官和組織。這些打印出來的機(jī)體結(jié)構(gòu)不僅足夠大足夠結(jié)實(shí)，可以用于替換機(jī)體“原裝配件”，還可以進(jìn)行個性化定制同時具有功能性。
一位研究人員表示：“這項技術(shù)能夠制造出穩(wěn)定的符合人類尺寸的任意形狀的組織。如果能夠得到進(jìn)一步開發(fā)，這項技術(shù)還有望用于打印活體組織器官并進(jìn)行手術(shù)移植。”
在此之前，生物打印技術(shù)已經(jīng)可以用于打印一些小型的或者極度簡化的器官復(fù)制品——比如腦和腎臟組織，因此科學(xué)家們就可以利用這些打印器官進(jìn)行研究，部分替代實(shí)驗動物，但直到現(xiàn)在仍然沒有研究能夠打印出大型穩(wěn)定的可以用作器官移植的活體。最大障礙之一就是如何在打印過程中保證細(xì)胞存活以及如何將維持器官運(yùn)作的所有“配件”組裝到一起，比如維持氧氣供應(yīng)的血管結(jié)構(gòu)。
【7】2分鐘可打出10厘米3D打印生物血管“成都造”全球首創(chuàng)
3日的新聞發(fā)布會上，華西都市報記者羅琴提問成都市委常委、高新區(qū)黨工委書記吳凱。談到成都高新區(qū)加快自主示范區(qū)建設(shè)的創(chuàng)新成果時，吳凱以全球首創(chuàng)的生物血管打印機(jī)為例，展示了成都國家自主創(chuàng)新示范區(qū)的全球領(lǐng)先實(shí)力。
3D生物血管打印技術(shù)使再造人體器官成可能，將打印機(jī)內(nèi)裝入液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物——這是大家熟悉的3D打印技術(shù)，但在成都高新區(qū)一家生物科技股份有限公司，科技人員居然可以打印生物血管。
吳凱介紹，該公司推出了全球首創(chuàng)3D生物血管打印機(jī)，使人體器官再造成為可能。該技術(shù)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，不久前還在全國“大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新”活動周上亮相，引發(fā)廣泛關(guān)注。
記者了解到，僅用2分鐘，該款“成都造”3D生物血管打印機(jī)便能打出10厘米長的血管，甚至還包括血管獨(dú)有的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細(xì)胞。
【8】3D打印助力神經(jīng)元損傷修復(fù)
神經(jīng)系統(tǒng)疾病一直是困擾著醫(yī)學(xué)工作者的一個難題。而這其中神經(jīng)元的損傷則是導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要誘因。因此，如果要治療這些疾病，如何修復(fù)受損神經(jīng)元就成為了擺在科學(xué)家面前的頭號難題。一直以來，人們都在尋找有效方法來促使受損神經(jīng)元再生，如今來自明尼蘇達(dá)大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)或許將在這一問題上發(fā)揮意想不到的作用。
科學(xué)家們在小鼠實(shí)驗中證實(shí)了這一想法。他們首先利用3D掃描獲得了小鼠坐骨神經(jīng)的輪廓，然后再利用3D打印技術(shù)打造出了一個內(nèi)含能夠促進(jìn)神經(jīng)元再生化學(xué)成分的硅酮類支架。研究人員通過手術(shù)將這種支架植入到小鼠的坐骨神經(jīng)的損傷處，經(jīng)過10-12周的培養(yǎng)，小鼠受損的行動功能獲得了明顯改善。
參與這一研究的Michael McAlpine表示，這一結(jié)果表明3D打印技術(shù)將可以為促進(jìn)復(fù)雜神經(jīng)元功能的恢復(fù)起到重要作用。此前盡管有類似研究證明3D打印技術(shù)可以幫助線性神經(jīng)元再生，但是利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)如坐骨神經(jīng)神經(jīng)元等復(fù)雜神經(jīng)元的感知和運(yùn)動功能恢復(fù)尚屬首次。
【9】如何實(shí)現(xiàn)3D打印人體組織?
Aspect Biosystems位于加拿大溫哥華，是一家屢獲殊榮的生物技術(shù)初創(chuàng)公司，專門從事3D生物打印和人體組織工程。該公司生產(chǎn)的一款3D打印機(jī)，可以通過3D打印制造出具有全面生物功能的人體組織，并可被用于危險或?qū)嶒炐运幬锏臏y試中，最終還可能制造出可移植的生物打印器官。
Aspect Biosystems是由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的一群研究人員創(chuàng)建，啟動資金是該校的導(dǎo)師創(chuàng)業(yè)組織entrepreneurship@UBC。其獨(dú)有的生物打印技術(shù)是將活細(xì)胞材料放入液化的水凝膠，再注入3D打印機(jī)中，逐層擠壓成特定的形狀。制作出的活生物結(jié)構(gòu)將被放置起來進(jìn)行孵化和培養(yǎng)，讓其可以開始作用，創(chuàng)造出擁有生物學(xué)功能的活體組織。
近年來，為使動物免于再受傷害，人們對藥物測試替代方法的需求變得日益迫切。而且，動物試驗對許多疾病和狀況會產(chǎn)生不一致或假陽性反應(yīng)，使得其無法在人體試驗中進(jìn)行模擬。利用生物打印的類人體組織進(jìn)行藥物測試，能消除動物試驗固有的不可靠性，并節(jié)省藥物開發(fā)的支出。
【10】Biomaterials：3D打印腦組織 可研究腦疾病
大腦是一個極其復(fù)雜的機(jī)體結(jié)構(gòu)，其擁有大約86億的神經(jīng)細(xì)胞，目前研究者所面臨的挑戰(zhàn)就是創(chuàng)建一種臺式腦組織，這樣研究者就可以對大腦的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化研究了。近日一篇發(fā)表在國際雜志Biomaterials上的一項研究報告中，來自國外的研究人員通過模擬腦組織的結(jié)構(gòu)開發(fā)出了一種摻入神經(jīng)細(xì)胞的新型3D打印層狀結(jié)構(gòu)。
臺式腦組織的價值非常巨大，許多醫(yī)藥公司都花費(fèi)了數(shù)百萬美元來檢測治療性藥物對動物模型的反應(yīng)，目的就是在臨床試驗中來證實(shí)新型藥物的多種作用，但他們并不確定人類的大腦和動物大腦到底差異性有多大�？梢跃_反應(yīng)真實(shí)大腦組織的臺式腦組織或許不僅可以幫助研究藥物效應(yīng)，而且還能幫助研究大腦障礙的發(fā)病機(jī)制，比如精神分裂癥或神經(jīng)變性的腦部疾病等。
【11】這次3D打印技術(shù)要讓Ⅰ型糖尿病患者受益啦
對于Ⅰ型糖尿病患者來說，“胰島移植”這種實(shí)驗性手術(shù)也許可以幫助他們解決胰島素缺乏的問題。這種手術(shù)將健康捐獻(xiàn)者的胰島細(xì)胞移植到Ⅰ型糖尿病患者體內(nèi)，但是帶來的副作用則是患者需要終身服用免疫抑制類藥物以防止身體對外來植入細(xì)胞產(chǎn)生排斥反應(yīng)。最近，科學(xué)家找到了一種新的辦法–利用3D打印的支架對移植胰島細(xì)胞進(jìn)行保護(hù)。這種技術(shù)展示出了巨大潛力，有望幫助Ⅰ型糖尿病患者更輕松的管理自己的疾病。
1型糖尿病患者很害怕血糖過低，因為這會引發(fā)一系列并發(fā)癥(低血糖癥)，包括頭暈、出汗甚至是失去知覺和死亡等。Diabetes UK數(shù)據(jù)顯示，大約1/3的Ⅰ型糖尿病患者都被低血糖癥困擾著。
為了改善胰島移植手術(shù)的成功率和提高Ⅰ型糖尿病患者的生活質(zhì)量，荷蘭特文特大學(xué)的研究人員打造了特殊的支架設(shè)備保護(hù)胰島細(xì)胞。他們的想法是利用3D打印支架設(shè)備保護(hù)胰島細(xì)胞免受患者免疫系統(tǒng)的攻擊，為其更好地發(fā)揮功能創(chuàng)造條件。
【12】Nature：3D打印人體器官復(fù)活記
3D打印的出現(xiàn)引起了人們在人工器官方面極大的興趣，這意味著替換甚至是提高，人類機(jī)械。
打印的器官，例如，由新澤西的普林斯頓大學(xué)和巴爾的摩的約翰霍普金斯大學(xué)的研究者們開發(fā)的外耳的原型將在4月15-17號紐約召開的3D打印會議上展出。這個外耳由多種材料打印而成：水凝膠形成一個耳朵樣的支架，細(xì)胞生長以形成軟骨，銀質(zhì)納米顆粒以形成觸角。這個裝置僅僅是越來越多，各種各樣3D打印的一個例子。
紐約的這次會議，號稱是該行業(yè)最大的盛會，將有大量的小工具和新奇物品的展出。但同時它也將引起對正興起的人體器官打印市場的認(rèn)真的討論。
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