肝肾15年后或可以3D打印

2013年8月15日 19:36 广州日报   网络转载阅读:307次
 
  活体肾脏移植排队要等多久?医学实验室如何有效教学?制药研发必须使用动物或人体试验吗?日前,来自杭州电子科技大学的科学团队自主研发出一台生物材料3D打印机。通过这台打印机,使用水凝胶及人体活细胞作为材料,已经成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元、肾脏单元、血管……甚至人脸。
  科学家预计未来10~15年,打印活体“肝”、“肾”并进行移植将有望推广。
  届时,人类益寿延年并非南柯一梦。
  8月9日,在杭州电子科技大学2号教研楼332实验室内,本报记者见证了打印机打印人体器官。
  活细胞存活率达90%
  这台通体黑色,重达50公斤,一台缝纫机大小名叫“Regenovo”的机器,打印的就是人类耳朵软骨组织,构成肝脏的肝单元组织、血管等。这台打印机“干活”非常迅速,打印一个比例稍小的耳朵或鼻子只需半小时到1小时,一张手心大小的人类脸部面具,大约只需4小时,耗费的水凝胶材料也不过50毫升。
  “Regenovo”的主要开发者杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院教授徐铭恩把水凝胶和人体活细胞比作“搭金字塔”的砖与水泥。除了活细胞,“Regenovo”还可使用多种生物材料。此前,徐铭恩的团队将用它打印出骨骼支架用在小鼠的大腿外侧实验,生物材料降解后,产生许多软骨,获得成功。
  几天前,来自浙江大学、解放军117医院等多位教授对“Regenovo”进行鉴定。这份鉴定报告让徐铭恩与他的团队被外界关注。
  这份报告称,与国际同类的生物3D打印机相比,“Regenovo”不仅率先实现无菌条件下的生物材料和细胞3D打印,新型的温控单元和打印喷头设计,能够支持从-5℃到260℃熔融的多种生物材料打印。同时,打印出的人体活细胞有着高达90%的存活率。目前打印的活细胞存活时间最长为4个月。
  造“活器官”不再是梦
  在从2000年就开始从事生物医学工程研究的徐铭恩看来,生物3D打印属于生物制造的概念范畴,生物制造就是以先进制造技术去解决生命科学和医学中的问题。我国在生物制造领域一直处于世界前列水平,清华大学的颜永年教授是这一领域的先驱。
  徐铭恩认为,当3D打印与医学影像建模、与仿真技术结合后,能够在人工假体、植入体、人工组织器官制造方面产生巨大推动效应。比如假牙和假肢的应用,能根据每个人的特定情况“量身定做”。在目前技术发展下,未来15~20年,人类有可能拥有一个自身细胞打印的肝脏器官用于移植。
  “好技术就应该拿出来分享”,36岁的徐铭恩说,这是他的导师、清华大学教授颜永年对他说过的一句话。
  目前精度还不够
  尽管活细胞打印,开启了人类打印器官组织的研究活动,但从实验室到真正医疗运用,乃至器官移植仍需要时间。“主要是精度还不够”,徐铭恩说,用“Regenovo”打印的肝单元结构,比普通细胞大五倍。“这好比电脑屏幕的分辨率,生物3D打印的细胞比正常细胞要粗糙5倍。”而且,人类对细胞认识与研究还不够,可供3D打印的细胞种类仍不多。
  参与“Regenovo”鉴定的浙江大学医学部基础医学系教授李继承认为,未来器官打印或者可以缓解肾脏、肝脏移植问题。但离开人体环境,如何让不同于干细胞的神经细胞生存,如何在打印肝脏的同时解决肝脏内部循环的问题,还需要多学科参与研究。
  今年下半年,从立项到完成仅1年,研发投入人民币100万元的“Regenovo”生物3D打印机将开始为大学实验室、研究型医院、生物医药公司等提供技术服务。
  肾脏打印全过程
  在实验室里,一张普通桌子上,摆放着纯黑色的生物3D打印机主机。生物打印主机长、宽、高分别是64厘米、50厘米、70厘米。跟此前的制造型3D打印机不同,生物3D打印机还有一个黑色“上行机”,两者加起来的体重是50公斤。此外,生物3D打印机主机的喷口仅有80微米,以此保持精准度。
  通过扫描在电脑中形成以三维设计模型为基础的成像“图纸”,然后3D打印机再通过分层离散和数控成型的方法用活细胞与水凝胶来搭建器官。搭建完毕后,打印出来后的细胞支架还要进行进一步的细胞培养,诱导形成具有功能的组织和器官,最后,完成历史使命的水凝胶也会降解。
  在打印过程中,本报记者看到,从细小的喷头里会挤出肉眼仔细观察才能看到的含有活性细胞的水凝胶。就像挤奶油拉花一样,纤细的水凝胶从喷头喷出,在机器作用下,一层又一层地有序排列。刚出来的水凝胶是半透明的,随着一层层叠加,最后逐渐显现出象牙色的器官组织形状。打印完后,记者用手轻触迷你的肾组织,感觉很有弹性。
  按照目前技术,打印的活体组织与血管不能同时形成。与大多数人想象的活体器官不一样,打印器官没有血色,也没有血管和神经。


  对话徐铭恩
  “通过努力,在我们这代人中实现延年益寿”
  广州日报:生物3D打印中的活细胞和水凝胶造价贵吗?
  徐铭恩:活细胞是从人体血液或骨髓中提取的干细胞。水凝胶成本不算贵,50毫升几十元。
  广州日报:目前,活细胞打印技术还有哪些难题?
  徐铭恩:首先是细胞精度。目前,我们打印的精度比正常组织结构要大5倍。打个比方,细胞是小朋友。虽然功能都一样,但我们制造的小朋友比体内的小朋友要大5倍,要移植到体内,还需要有精度。其次就是如何让这些小朋友手拉手,分好区,有序地站在一起。
  广州日报:如果生物打印跟细胞精度有关,未来是否可以像科幻片一样,打印出超出人类精度的组织,甚至是超人?
  徐铭恩:我认为不太可能。因为细胞是从人体内提取的。
  广州日报:对癌症的攻克,主要是人类对细胞结构认识还不完全清楚。生物3D打印如何让细胞有序排列?
  徐铭恩:这是个好问题。目前,生物3D打印的细胞种类还有限。而且打印的细胞组织是检测相对应的功能。比如,肝脏功能是排毒,打印的肝单元是否有效就是要产生这个功能。而不是打印出和人类完全相同的肝脏。
  广州日报:全世界生物3D打印器官研究,都是从肝脏、肾脏乃至心脏入手,这是为什么?
  徐铭恩:首先是实际需要,等待肝脏、肾脏移植的人特别多,而器官紧缺是一个现实问题。其次,相对心脏、肾脏,肝脏的一些功能实现比较简单。比如,肾脏涉及到尿液隔膜,这就好比让小朋友不仅要排队,有些还需要面对面排队,有些要背对背,排序特别难。心脏则更为复杂。而肝脏细胞的排列较为简单。
  广州日报:生物3D打印的终极目标是制造具有完整功能的人。你认为人类实现永生可能吗?
  徐铭恩:从秦始皇到现在,人类都在追求永生。从群体的角度来讲,没有死亡是非常可怕的一件事。这意味着没有了竞争。从个体角度而言,这是人人需面对的。我认为,通过努力,在我们这代人有生之年,实现人类寿命延长,还是可以实现的。

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