作者:杨琪 来源:中国科学报 发布时间:2013-12-24
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针孔铸造体内“明珠塔”

当一些谨慎之士还在争论3D打印技术未来能否掀起一场产业革命时,这项技术却已让生物医学领域看到更美的未来……
 
■本报记者 杨琪
 

 
基于注射的液态金属电极对牛蛙腿中坐骨神经进行刺激。
 
一只实验所用的牛蛙早已作完前期准备,等待它的,是以一次奇妙的体内3D打印体验:“墨汁”——液态金属被清华大学医学院与中科院理化技术研究所联合小组(以下简称联合小组)的实验人员用微型注射器吸入,然后按照制定好的路径顺序喷注入这只牛蛙体内。
 
一会儿,通过X光照片显示,在牛蛙体内的坐骨神经上打印出了一个电极,而这样一个“大手术”却未留下大创口,如果不仔细查找,很难发现微型注射器留下的针眼。
 
当一些谨慎之士还在争论3D打印技术未来能否掀起一场产业革命时,这项技术却已让生物医学领域看到更美的未来。
 
好消息一个接一个地传来:在体内直接3D打印人工器官移植手术成功。如今,联合小组提出并实现了一种全新且更具微创性的3D医疗电子打印制造技术。
 
“我们期望,能够在生物体内利用3D打印技术直接构建出非常精密的医疗器械。”联合小组负责人刘静教授说。
 
他形象地将此比喻为,通过一个针孔将液态金属按照程序源源不断注入体内目标组织处,运用3D打印技术铸造出比“东方明珠塔”还要精细的医疗器械。
 
3D打印敲开微创治疗之门
 
今年5月,美国俄亥俄州的男孩Kaiba Gionfriddo成功移植了利用3D打印技术制成的人体气管。
 
密歇根大学的科研人员们对此表示,将高分辨率成像技术、计算机辅助设计与生物材料的3D打印结合起来,可以针对患者的特定解剖条件创建可植入设备。
 
英国科学家发现采用3D“打印技术”,基于胚胎干细胞能够定制化打印制造人体器官组织,这意味着绝望的重病患者能够很容易地获得可供移植的肝脏、心脏和其他人造器官。
 
可以想见,生物医学领域正在领略3D技术带来的神奇与魅力——人们不再为移植器官稀缺而困扰,移植之后的排异反应也将大大减小。
 
但是,这些手术都会获得同样的“纪念品”——传统植入式医疗设备往往需要借助一系列复杂烦琐的开颅、开胸手术、植入及缝合过程,常会给患者带来巨大的身心痛苦,更为甚者会引起严重损伤。
 
“如果采用微创3D电子打印制造,创口直径只有0.5毫米。”刘静说,其实,这就是一个小针眼的尺寸。
 
他表示,可植入式生物医学电子体内3D打印借助临床上常用的微型注射器按照预先设计的加工流程将封装材料与具有良好导电特性的液态金属墨水,在图像引导下以微创方式按既定路径顺序注入体内,实现空间结构可控且功能各异的电子设备,如典型医用植入式电极及RFID等。
 
“我们已经在小鼠体内进行了这样的实验,并获得成功。”
 
移植不为“器”所伤
 
采用以上这种方法无创,且可以借助于小小的精密注射器,便可实现体内3D多尺寸设备的构建,大大降低了患者的疼痛感,此外,“这项技术在终端体内成型制造省去了外部加工等工序,因而显著降低了制造成本。”刘静表示。
 
再者,所采用材料良好的生物相容性及柔性特征大大提升了在体内应用的适用性,研究团队认为这也可使患者享受到更加舒适便捷的医疗服务。
 
为人类未来创造无限可能,这正是科技的迷人魅力。然而,科研中的点滴积累都凝聚着科研人员无数次的探索。
 
比如,在医疗器械体内3D打印方法中,科研人员面对的一道难题是材料该如何选取。
 
联合小组采用各种组织进行离体实验,发现并非所有的液态金属材料和封装材料都适合注入组织,有的“墨水”注入后却“不听话”,在组织内到处流淌,很难成型。“针对不同组织和部位,要选用不同的3D打印‘墨水’。”
 
还有,“注射过程也没有想象中那么简单容易,如何控制是个大挑战。”刘静坦言。
 
现在,联合小组使用的是手动控制,“之前我们已经积累了大量手动操作的经验,现在手感不错,而且已经能够对此过程加以可视化。”他表示。
 
这种医疗器械体内3D打印方法目前仍处于技术开端与成长期,其进一步推广应用需要发展出图像引导下的精细且高度自动化的智能型操作技术如手术机器人等,以提升3D打印手术的精度与准确度。
 
“就如同科幻电影《普罗米修斯》中,可以依靠机器人来实现异常精密、安全的全自动手术。”
跨界思考撞出火花
 
“可植入式生物医用电子体内3D打印成型技术的研究脉络继承了之前我们一系列研究的思路,是一个不断积累的递进过程。”刘静说。
 
这其中涉及的几个关键词:植入、微创、3D打印和液态金属,组合起来似乎是那么风马牛不相及。
 
早期,联合小组开展过的植入式医疗研究就有心电、心脏起搏器等范畴,比如将电极、电源植入体内,心脏起搏器、神经刺激器等便可利用人体体温温差进行发电来工作。
 
而另一个关键词“微创”,实验室则积累了十多年经验,“最近这一领域的研发已开花结果。”刘静所指的便是实验室推出的肿瘤微创高低温复式消融治疗系统、血管介入式全身热疗肿瘤微创治疗系统等设备。这些设备的研发最早于1999年启动。
 
“更有意思的是,十几年前,我们还启动了液态金属的研发。那时的研究重点与现在这一技术可以说是风马牛不相及。”刘静说。
 
当时,科研人员一心要解决计算机CPU芯片散热问题,为此启动了液态金属的研究。在刘静科研团队看来,液态金属是一种非常神奇的材料,在室温下可流动,还具有导电、导热等特性,“令人非常着迷”。
 
随着研究的深入,刘静意识到,液态金属应该可以应用在更大范围内,比如在生物医学工程领域可否引入?
 
将液态金属应用于生物医学中,这在国内外一直都很少有人考虑过。刘静带领团队进行了开端工作。“令人怦然心动的是,可流动的液态金属注入人体内,不会造成大的创口,并且可以按照需要形成医疗器械,甚至所实现的终端对象个头可以很大。这是最独特的一点!”
 
从微创治疗到植入式医疗电子的研究,从液态金属到3D技术可在任意表面上打印,最后利用3D打印技术将液态金属源源不断地注入体内,构建所需的医疗器械——这个“朴素的想法”迅速地被串联在一起。
 
“我们相信,不远的将来,随着技术的不断成熟将会在植入式医疗、康复医学等更广阔的生物医学应用领域发挥重要作用。”刘静和团队期待着越来越多的专业人员加入到这一领域的研究和应用中。
 
《中国科学报》 (2013-12-24 第7版 转化)
 
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