作者:王道斌 黄瑶 邹莹 来源:南方都市报 发布时间:2015/7/14 10:15:55
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钟世镇院士团队骨骼3D打印进入动物试验阶段

南方医科大学医疗3D打印研究所的工作场景。

钟世镇院士。

打印出来的肝脏血管模型。

↑打印出来的足部模型。

←打印出来的受破坏的头盖骨模型。

7月9日,台风“莲花”正面袭粤,下午2点15分,南方医科大学生命医学楼前,飘起星星点点的小雨。年过九旬的中国工程院院士钟世镇走下汽车,缓缓将车门关上,拎包走上台阶。若不是最近做了一个小手术,老人会坚持步行,提前10分钟来上班。

他的学生———南方医科大学基础医学院院长黄文华教授,此时正在3D打印研究所内看着一台高精度打印机,一层一层打印着一根纯骨质、不夹杂金属的胫骨。另一个学生———欧阳钧教授,则在同一栋楼的广东省生物力学重点实验室内进行一次力学测试,对比打印骨骼和真实人体骨骼的抗压差距。楼道另一头,人体组织工程实验室内,邱小忠教授正在用10-20微米级的细胞搭积木,他像变魔术一样悬空搭出了人体乳腺癌的实体肿瘤,用来检验和开发药物。

黄文华团队利用骨粉和生物胶,成功打出动物骨骼,进行移植后将研究其与真正骨骼之间的差距。“乐观估计,类似的打印骨头将在5-6年内投入临床,此前还有很长的路要走。”

想最终成功打印出真正的人骨,还需要另外两部分研究的支撑:生物力学和3D打印材料研发,这两方面正是欧阳钧教授和邱小忠教授的研究方向。

骨粉加生物胶打出山羊和兔子骨骼

同一天,在离南方医科大学10多公里外的珠江医院内,今年4月中刚完成肝癌切除手术的吴先生正在复查。之前肝癌合并复杂肝硬化的他原本要被切掉60%以上的肝脏,严重影响生命安全,但一方面有南方医科大学临床解剖学研究所所长徐传达教授设计的微创外科入路的理论支撑,另一方面黄文华教授用3D打印机打印出一个病变肝脏,肝静脉、动脉、门静脉纤毫毕现,供外科专家提前实操、反复论证,最后吴先生只切除了42.8%的肝脏。

3D打印目前在医学界最主要的应用,依然停留在先模拟复杂情况,让医生提前练手的阶段。再进一步,就是在3D打印的同时打好手术导轨,手术医生操作时完全按导轨设定的区域进行手术、固定即可。“但那毕竟没有实质性植入,只是参考意义而已。”

在此基础上,黄文华开始考虑人体和动物骨骼的3D打印。他想做的是,用同种异体的骨粉作为打印材料。由于这种骨粉来自人类或同种动物,理论上会比单纯用金属材质打印的骨骼更易与人体相融。

他的团队目前进行了山羊和兔子的骨骼3D打印,分别用的是山羊和兔子的骨粉,再加生物胶。“这就是同种异体骨粉的概念,毕竟都是同一个生物属种,生物相容性更高。”如果是打印人类骨骼,则同样会取人类的骨粉作为打印材料,生物胶则起粘合作用,因为骨粉毕竟是失去骨细胞活性的无生命物质,骨粉与骨粉之间的聚合要依赖生物胶来完成。

3D打印采用的是逐层扫描打印,一层纤细的骨粉,再加上一层生物胶,最终需要多少层,取决于打印对象的长度、高度和厚度。骨粉的直径一般在0 .1毫米级,层层累加最终形成骨骼时,可能需要数千乃至上万层骨粉。

骨骼打印目前极限不能超过15厘米

想打印出“真正的骨头”,单靠黄文华团队还不行,还需要另外两部分研究的支撑:一是生物力学的实验支持和修改方案,另一个就是高密度打印材料的研发。这两个环节,也是将来生物3D打印的关键环节所在。

“目前在山羊和兔子身上进行的骨骼打印,取得了一定进展和效果,但问题依然存在。比如生物相融性,毕竟不是用这只兔子自己的骨粉作为材料,排异现象依然存在。还有生物力学方面的问题,打印出来的骨骼,肯定不会比原有骨骼牢靠。”

国际国内通行的类似打印,在材料没有得到突破性进展的前提下,骨骼最长不能超过15厘米。如果再长,承载的力过大就容易断裂。这就涉及到广东省医学生物力学重点实验室主任、欧阳钧教授的老本行。

欧阳钧教授1991年就读钟世镇院士的研究生,起初一直在骨关节、肌肉、纤维组织方面进行研究,然后钟院士给他敲定了将来的方向:生物力学。这本来是一个基础得不能再基础的课题,但被很多医学同道忽略。“大家都知道如果对人体的胫骨施加巨大冲击,胫骨会骨折甚至粉碎性骨折,但到底多大的力才造成这样的伤害,没人去研究。”

钟世镇院士团队上世纪90年代就开始做这方面的测试,一方面是为了掌握最基础的数据,另一方面也能逆向倒推相应的保护机制。1997年前后,团队做了一项儿童轿车撞击安全试验,利用标本接受撞击,发现未成年儿童(14岁以下组)一旦坐前排遭遇撞车,安全气囊以时速200公里打开时,可以击断孩子的脖子。哪怕一个轻微的撞车事故,只要触发安全气囊,都会给孩子脆弱的颈椎造成致命性伤害。

和中国载人航天计划进行的合作,是团队做过的另一个大型试验。“返回舱从进入大气层到最终着陆,要怎样保障好航天员的安全,我们以数字人、数字医学为基础,做了很多试验。”欧阳钧和同事们模拟了N套各种情况下舱内宇航员受伤的情境,用上假人和标本去验证,测试了人体各部位在撞击情况下所受的力。“完成这些试验后,我们将数据交给航空航天研究所,进行相应改进。”至今,杨利伟乘坐的1:1返回舱实验座椅,还摆放在学校的展馆里。

在广东省生物力学重点实验室,实验台尾端中间,树着一根人体胫骨,加速撞击装置用不同的速率、力度,从不同角度撞击它,然后观察损毁效果做出评估。这就是欧阳钧团队在做的人体力学研究,查找人体、实验对象在各种冲击力状态下的安全阈值,这些阈值将是黄文华团队骨骼3D打印的参照标准。

等待组织工程学打印材料研究突破

完成兔子和山羊的骨骼3D打印后,黄文华团队也进行了一些生物力学测试,发现要达到原有骨骼的强度和韧性,还需要找出更好的生物材料。这个重担落在了广东省组织构建与检测重点实验室主任邱小忠教授肩上。

邱小忠是主攻组织工程学的专家,对黄文华教授的寄望,他表示压力很大。他是钟世镇院士特召入团队的非解剖领域专家,承担着使传统解剖学由3.0向4.0迈进的重大使命。

“组织工程学是一门新兴的交叉学科,涉及材料化学、细胞学以及生物医学工程各领域的技术和手段,它是解剖学一个新的增长点。”邱小忠这样定义自己在团队中的位置。

我国最早的组织工程研究热潮兴起于上世纪90年代末,当时上海第九人民医院曹谊林教授在美国发表了一篇关于裸鼠身上长人耳的文章,组织工程学迅速成为热点。钟世镇院士也敏锐捕捉到这一热点,认为组织工程学未来会有重大突破。

2006年邱小忠教授开始介入骨组织工程,利用人头发里的角蛋白,制备人工骨膜。随后他又将人发角蛋白引申到生物材料领域,用头发(人发角蛋白)做生物导电材料,用作电子传感元件,类似人的电子皮肤,能根据温度、湿度的变化而变化。

“它作为一个重要的电子传感元件,在假肢、人工皮肤等领域应用前景广阔。比如说残肢患者,使用了这类电子传感元件构筑的机械臂,能够部分接受大脑中枢的控制,不再是一个冷冰冰的铁钩或假肢,还能进行一些受意识支配的简单活动,例如端茶递水。”

在3D打印的活性材料研制方面,邱小忠正和加拿大的科学团队合作,计划在生物支架上种植肝肾细胞,以此制备出合格的器官、组织。

“乐观估计,类似的打印骨头,将在5-6年内投入到临床,在此之前还有许多的路要走。”黄文华表示。虽然在临床上使用打印出的“真正的骨头”还只是个愿景,但黄文华已经开始尝试使用3D打印技术,帮助手指完全离断或部分离断且无法断肢再植的患者进行大胆“拼装”。

钟世镇院士记忆犹新,上世纪80年代后的广东,工伤事故高发,伤者往往是断肢、巨大伤口、复杂伤口的重症患者。这就需要从伤者身体其他部位截取一段带有皮肤、肌肉、血管的皮瓣,来填补这个复杂创口,通俗地说,就是在患者身上拆东墙补西墙,既要保证伤口这个“西墙”能愈合,又不能影响“东墙”的功能,“目前能够取皮瓣的地方,基本已被开发殆尽”。

但工伤事故还经常出现断肢甚至断肢全部被绞碎的情况,这时3D打印技术就派上了用场。黄文华用3D打印出手掌的断截面,从患者的脚指头中截取复合皮瓣,用脚趾替代手指。“做了3例类似手术,一例用脚拇指替代手拇指,一例从双脚各截取两趾移植为手部指头,还有一例五个手指全部来自脚趾移植。”

黄文华认为,如果能用有活性的细胞进行打印,用干细胞诱导出各类对应的细胞,直接打印出匹配的器官,将是远期愿景。“目前,3D打印研究所已经加入广东省3D打印产业创新联盟,在和生物力学、组织工程学进行完美结合的同时,我们有信心打印出私人定制似的健康器官。”

最新成果

●用同种异体的骨粉作为打印材料,理论上会比单纯用金属材质打印的骨骼更易与人体相融。团队目前进行了山羊和兔子的骨骼3D打印,分别用山羊和兔子的骨粉再加生物胶,进行移植后将研究其与真正骨骼之间的差距。

TA们是谁 钟世镇院士团队

●钟世镇:中国工程院资深院士,著名解剖学专家。中国现代临床解剖学奠基人,中国数字人和数字医学研究的倡导者。

●黄文华:南方医科大学基础医学院院长,主要研究方向是3D打印技术在医学领域的应用。

●丁自海:微创外科解剖学研究所所长,研究微创外科大范围应用基础上的人体解剖领域。

●徐传达:南方医科大学临床解剖学研究所所长,主攻人体解剖领域的皮瓣移植方向,主要用于复杂、大面积创口的自体移植修复。

●欧阳钧:广东省医学生物力学重点实验室主任,生物力学专家。

●邱小忠:广东省组织构建与检测重点实验室主任,研究人体组织工程学方向。

热点话题的科学视角,衣食住行的实证辟谣。一起为科学死磕,发现身边真知。

策划:任天阳 王海军 田霜月

统筹:冯巧 陈实 薛冰妮

采写:南都记者 王道斌 通讯员 黄瑶 邹莹

摄影:南都记者 邹卫

出品:南方都市报科学新闻工作室(原标题:打印出“真正的骨头”南方医科大学钟世镇院士团队骨骼3D打印技术进入动物试验阶段)

 
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2015/7/18 20:00:48 davad311
创造性主要还是来自3D打印机本身,如果拿打印机去应用打印肾脏、生物材料、支架什么的,是属于应用上的创新,主要还是拿来主义,我认为不是具有全球影响力的创新创造。
2015/7/14 22:19:31 cyp4168

引用:“西北工业大学凝固技术国家重点实验室3D打印钛合金胸骨在第四军医大学唐都医院成功移植 系世界首例
http://sklsp.nwpu.edu.cn/Shiyanshi_News.asp?id=13&bh=167”
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材料不一样,西工大是用钛合金打印,打印出来的是金属骨头,这个是用骨粉打印,打印出来的是真骨头
2015/7/14 20:57:05 helloxin
美国早有医生打印出肾脏,在患者身上应用多年了。http://open.sina.com.cn/course/id_558/
2015/7/14 20:45:39 hbpc
成熟技术,一轰而上,应用而已,原始创新有多少?如能打印软组织,哪就牛了!
2015/7/14 19:26:14 wulaoliu
他像变魔术一样悬空搭出了人体乳腺癌的实体肿瘤,用来检验和开发药物。

是否有点吹牛皮? 数字人忽悠不下去了?
目前已有8条评论
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