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3D打印“照亮”器官移植的未来

2014年12月03日 22:10 快科技   网络转载阅读:438次
 



2012年的2月,密歇根大学附属C.S.莫特儿童医院的医疗团队为一个三个月大的男婴进行了一次不寻常的手术。这个男婴患有先天“气管支气管软化”,这是一种非常罕见的病症:这个男婴气管的一部分组织缺乏应有的软骨硬度和支撑力,从而会不断造成管腔不同程度的塌陷。这就使得他无法进行正常呼吸,还会引起附近血管(包括主动脉)阻塞,从而引发心肺骤停。该男婴当时仅能依靠呼吸器来存活,而医疗团队也在绞尽脑汁想办法来拯救这个可怜的婴儿。他脆弱的气管组织需要被修复或者替换,但手术风险太大,更何况对象还是这么小的一个孩子。医疗团队咨询了这个男婴在俄亥俄州阿克伦儿童医院的主治医生,然后很快做出了用3D打印气管换掉故障气管的决定。

走进最真实的3D打印技术

顾名思义,3D打印机肯定不是用油墨在平坦的纸张上打印内容,而是在三维空间内逐层打印出立体的东西。它使用的油墨是由基板和具体的物质构成的。19世纪80年代,世界上第一台3D打印机诞生,它是由美国工程师Charles Hull发明的。3D打印机里的“油墨”是一种丙烯酸溶液。当它接收到激光束中的紫外线的照射,这种溶液就会凝结成固体。许多汽车、飞机的制造商都会在电脑上设计出复杂的零件设计图,然后通过3D打印机将零件原型打印出来进行生产。而如今,这种现象已经非常普遍了。随着科技的进步,3D打印机也就变得没有那么独特了,自然它也就变得廉价和无处不在。Staples和亚马逊都提供3D打印服务。螺母、螺栓、耳机、眼镜、运动鞋、珠宝、骨灰盒,甚至是“星球大战”的模型、建筑物模型以及整栋房屋,这些都能通过3D打印机打印出来。在美国,3D打印技术引发了人们的争论。争论的焦点在于是否应该允许公民使用3D打印技术来打印枪械,要知道现有的技术已经能够实现这一点。现在3D打印机使用的打印材料可以是塑料、金、银、其它金属、陶瓷、蜡甚至是食物。(美国国家航空航天局正致力于开发一款可以在失重状态下运行的3D打印机,通过这款3D打印机来为宇航员们制作披萨。)有兴趣的人只要支付一小笔费用,上传一张自己的照片,你就可以3D打印出自己的头像玩偶。

密歇根大学的医疗团队在此之前曾经处理过类似的病例。研究人员首先用CT扫描了男婴的胸腔部位,然后制作出需要修复的气管的三维图像模型。基于这个模型,研究人员设计并打印出了一块小夹板。这块夹板是用具有生物相容性的材料制作而成的小软管,用来加固男婴脆弱的气管,同时保持气管畅通。夹板坚固且柔软,还会随着男孩的成长而变大。研究人员将其比作为“真空吸尘器中的软管”。此外,这块夹板需要在男婴胸腔内呆三年左右,直到破损的气管痊愈。当男婴的气管痊愈后,夹板便会在其体内溶解掉,也不会造成任何伤害。在夹板植入三周后,这个男婴已经脱离了呼吸器并且安全回到了家中。2013年5月,据《新英格兰医学杂志》报道,男婴已在如常人般长大,也没有任何之前预见的症状发生。

3D打印技术在医学领域的应用正变得越来越普遍。几乎每一天,我都能接收到一封来自我所在医院的新闻办公室的电子邮件:我的某一位同事在进行真正的手术前成功利用3D打印技术创建了一个精密的医用模型,比如说某个病人的二尖瓣、手指或者是视觉神经。外科医生如今可以将3D技术打印出来的移植片固定模、假肢或者是人颅骨中的一部分植入病人体内。3D打印技术的倡导者认为,这项技术能让制造业变得更加民主,我们可打印的东西也变得越来越私人和私密。不管你相信与否,在医学领域,我们正在用3D打印技术,“打印”自己。



去年六月份,我参加了科罗拉多州的阿彭斯思想节,在那里医疗健康领域的创新技术引发了一番热议。首先发言的是一个高大、蓄有胡须的男士,他是3D Systems公司的工业设计师Scott Summit。这家公司的创始人是3D技术发明家Charles Hull,后来这家公司发展成为世界领先的3D打印技术与服务的供应商。3D Systems设计出了一款非常流行的产品——Invisalign。这是一个3D打印金属矫正牙套,治疗过程首先要对病人的咬痕进行扫描,然后才能决定应该如何对牙齿进行矫正。Invisalign牙套看起来就像是一个透明的塑料嘴巴防护层,每一个牙套都是利用3D打印技术为病患量身定做。3D System会根据病患牙齿的恢复情况定期对牙套进行调整或打印出一个新的牙套,直到病患的牙齿问题被彻底解决。

如今,3D System正稳步进军医疗市场。几个月前,该公司和奥克兰儿童医院的研究人员合作进行了一项测试,用3D打印机打印出“脊椎”,以便帮助那些在成长过程中脊椎弯曲的年轻人。不过为了修复弯曲的脊椎,佩戴者必须每时每刻佩戴着这款产品,但是显然多数孩子都不能做到这一点。Summit在电话中告诉我:“如果你仔细观察3D打印出来的脊椎,你会发现它在挤压着佩戴者的身体。如果在夏天佩戴这款产品,使用的尼龙搭扣带会让佩戴者感觉非常热。大部分青少年都不愿意在走路的时候佩戴这款产品。”这一点我还是感同身受的。几年前,我曾经做过一次脊椎分离手术,术后几个月我一直使用类似的支架,戴着那东西走路实在是种折磨——这种支架会让人感到极其不舒服,还没有办法把它遮挡起来。”然而Summit设计的新支架看起来却像是一个为患者量身定做的蕾丝坎肩。事实上,3D System的3D打印脊椎是由精细研磨的尼龙粉末制成,既轻便又透气,加上是根据佩戴者的身体和医疗需求来量身定制的,因此穿上它就像穿衣服一样不会有任何不舒服的感觉。该公司先后在22个女孩间进行测试,他们都希望尽快让这款产品得到更广泛的应用。

在阿彭斯思想节上,Summit登台时身边还有一位46岁的女士,这位名叫Amanda Boxtel的女士原先需要依靠轮椅才能行走,然而今天她却是走上了舞台。究竟是什么让她重新站起来走路的呢?事实上,在1992年,一场滑雪事故让Amanda失去了她的双腿。但是困难并没有就这样打败她,她如今是Bridging Bionics公司的主管(这是一家致力于帮助瘫痪人士恢复行走能力的基金会)。2013年,3D Systems的研究人员找到了Amanda。他们先用仪器扫描了她的下半身的身体轮廓,然后用柔软的尼龙纤维为她“量身打印”出她的躯干、小腿和大腿。随后,研究人员将3D打印四肢装到了Ekso Bionics公司现有的一套电动护腿与手部控制仪上。就这样,一套定制的人类“下半身”诞生了。当Amanda穿上了它,开始练习慢慢行走——就是这样,她在阿彭斯思想节上走上了舞台。Summit在采访中表示:“其实还有一些摩托化机动辅助器材,但是它们都不是为使用者量身定做的。如果这些设施对佩戴者的臀部还有腿部产生压力,佩戴者就会存在擦伤或是感染的风险。” Boxtel后来也在采访中表示:“我很喜欢我的这双机械腿因为它是根据我的身体而制作的,也是为了我能行走而制作的。但是我还想让它能成为我时尚又性感的‘跑车’——穿上它我可以快步行走。”技术还在不断进步,希望有朝一日Boxtel能实现她的梦想。

3D打印植入人体

在此之前,3D打印医疗设备多被用来从外界支撑使用者的身体。但最近,3D打印物体也逐渐开始使用于人体内部。3D Systems将自己的打印技术提供给制作定制膝关节植入体的Conformis公司,这家公司每年要打印1000多个为顾客量身定做的膝关节植物体。(尽管市场对于这种订做的膝关节的需求在不断上升,但是这类订做的膝关节和普通的膝关节植入体究竟谁更胜一筹,这个答案仍是悬而未决。)今年早些时候,威尔士的外科医生,利用该技术为一位名叫Stephen Power 的29岁男子重塑了面部骨骼。Power在一起摩托车事故中发生了意外,他的左脸颊、眼窝、上颚、头骨均发生了脱落。通过扫描Power “幸存”的骨骼,医疗小组制作出了他整个面部的3D结构图,然后打印出钛材料制作的假体,并成功植入Power的头部和脸部。

最近,我同Bronx蒙特斐奥医疗中心的Oren Tepper博士进行了交谈,他是这家医院的颅面手术的负责人。Oren Tepper博士在他的实践中开创了3D打印技术的新使用方式。2012年,他接手了一个名叫Jayla的女婴。这个女婴先天下巴残缺,从而使得她经常性呼吸困难。诊断过后医生就会为她进行气管切开术。通常来说,医院会为这种患者进行颌骨重建,但这种骨移植手术风险太大,以Jayla当时的年龄来说并不适合。

然而,Tepper却不赞成为Jayla进行气管切开术。他为Jayla做了脑部扫描,根据扫描得到的信息用3D打印机为她打印出了理想的下颚模型。Oren Tepper博士并没有打算用这个模型来替换Jayla的下颚,相反,他打算改变Jayla的下颚形状,使其与模型匹配。然后,Oren Tepper博士打印出适合Jayla下巴的三维模具。模具上有狭缝和空洞,让他能在不损害Jayla面部神经的前提下植入下颚模型。最后,他给Jayla的下巴装了个棘轮。每天,Oren Tepper博士会将Jayla的下巴向前“拖拽”一毫米,以促进其骨细胞生长,然后填满整个拉伸的区域。几周后,整个医疗过程结束了,Jayla的下巴已经长得和同龄人无异了。如今,Oren Tepper博士每年都要治疗两至三个有类似残疾的孩子。

Oren Tepper博士在采访中告诉我说:“我也是从年轻一代成长起来的,年轻人对于新技术还是很适应的。当然你也可以尝试去做一个不含虚拟模具与3D打印技术的相当复杂的外科手术,不过那样的话,手术风险会大很多,失败的几率也大得多”。



3D打印细胞和器官

未来,3D打印技术还将给医学界的发展带来更大的飞跃。这些年来,研究人员一直想方设法试图在实验室中设计制造出人体的肾脏,肝脏以及其他器官和细胞组织。如果这个想法成功了,那么需要接受移植手术的病患就无需浪费大量时间来寻找捐献者了。但是,在实验室中进行细胞组织培养可以说是一件十分困难的事情。好在我们现在可以利用细胞作为“油墨”的3D打印,这就让我们看见了新的希望。19世纪90年代初,维克森林再生研究所所长Anthony Atala,开始在他的实验室中的可降解支架上培养人体的膀胱细胞。他培养的细胞呈袋状,之后他将这种带状细胞成功植入了7名膀胱功能较差的孩子体内并且大大改善了他们的身体情况。此后,医学界都开始把精力投入到了3D打印医疗技术的应用中,各类再造人体器官的成功案例比比皆是。其实在此之前,许多项目也经常利用3D技术打印出聚合物支架上的气管细胞、心肌细胞或是肾细胞,但始终未能使其成长为成熟器官。目前科学家们都在实验室里齐心协力培养人造器官,相信不久之后问题的关键已不再是他们能否成功,而是如何成功。

世界上第一款显微镜于16世纪正式诞生,时间就和望远镜的产生差不多。这两者带来了两个全新领域的发现——望远镜让我们明白了这个世界是由宇宙天体而构成的,而且天体之间的距离很远;而显微镜则让我们看到了人体内部细微的有机组织还有细胞。然而让天文学家从三维角度理解宇宙发展很容易,让细胞生物学家从三维角度理解微观世界却很难,因为人类对于微观世界的理解一直停留在二维水平。而产生这种现象的原因部分在于显微镜下的标本必须被放在细薄的载玻片上,这样上方或者下方的光线就可以照亮它,这就是在二维条件下进行观察。因此,即便拥有先进的电脑软件技术,生物学家也很难从三维立体角度理解组织和器官的相互联系,更不用说将它们重建出来了。

例如,我曾经在我的实验室里研究排列在人类静脉、动脉和毛细血管内的内皮细胞。当这些细胞被移出体外,它们就会迅速死亡。实验室里必须有特殊的设备,才能维持内皮细胞的存活和生长。首先我要将内皮细胞放在涂有凝胶混合胶原蛋白和其他蛋白质的塑料盘上,然后将塑料盘放在孵化器内。孵化器需要维持一定温度,还得输入适量的氮、二氧化碳和水蒸汽。在这样的环境条件下,内皮细胞能存活数周。然而我却也无法控制内皮细胞自组胶原基质。之前我在孵化器中放置了一盘肉皮细胞,几天后我惊讶的发现这个孵化器变成了一个流动的血管。

这样看来,再怎么强调这种结构对于生物系统功能正常运行的重要性也不为过了。

镰形细胞性贫血就是由单一的形状改变基因突变引起。正常蛋白质的基因代码称为“球蛋白”,这将会帮助红血球将氧气输送到人体组织中。然而当基因发生突变,球蛋白就会发生崩溃,甚至可以堵塞血管。直到最近,阿兹海默症(老年痴呆症)的研究人员也未发现脑细胞如何自发使淀粉样蛋白质异常,从而引起老年痴呆症的真相。神经元在培养皿中的表现和在人类大脑中完全不同。但是在十月份,《自然》报刊上的一篇文章表示:马萨诸塞州总医院的科学家团队成功在凝胶骨架中培养出了神经元,这样细胞就可以在三维空间里相互交流。他们由此预见到了一场研究阿兹海默症的热潮——在未来,会有越来越多的实验室研究人员来研究阿兹海默症。

与此同时,设计制造组织和器官的医疗实践也受到二维空间的重重阻碍。莱斯大学的生物工程师Jordan Miller在采访中指出:“成功的再造器官至少由数十亿、不同类型的活细胞构成。增加组织构造的任务乃是重中之重。” Miller还在PLOS Biology期刊上发表了一篇标题为“十亿细胞建造:3D打印技术能够带我们实现这一梦想吗?”的文章。一个培养皿甚至几个培养皿中培养的组织细胞远远不够,这些人造细胞需要能够进行营养、成长元素以及其他信息的交流。

Miller在文章中这样写道:“专家们都还在为了数字而犯愁,他们能创造出来的组织细胞还远远不够。”生物学家都希望能解决这一问题,他们在塑料或环氧支架上培养不同类型的细胞。然而这种前仆后继的尝试却鲜有成功,就算外部细胞能不断增殖,内部细胞也会因缺乏营养物质和氧气而死亡。生物学家也许能培养出数十亿肾细胞,并最终形成外形似肾的东西。但是如果没有持续生长的血管来滋养整个肾器官,这肾脏仍形同虚设。





新型3D打印细胞材料

哈佛大学的材料科学家Jennifer Lewis在采访中表示:“不幸的是,这个领域仍有很多虚假不实的信息。我记得我第一次看TED演讲的时候——那时我正在看视频,突然有个人宣称他们成功打印出了肾脏,然后展示了一个外形似肾脏的东西。我觉得这番话很有误导性,打印出来的形状像肾但我们并不能就把它当做是肾。我们不该给人错误的期望,否则这将给3D打印技术带来骂名”。

今年已经50岁的Lewis留着短棕发,戴无框眼镜,她是一位非常友好而彬彬有礼的人。尽管她对3D打印器官、组织的技术持不看好的态度,然而,不可否认的是目前她的研究也在向这一新技术领域靠拢。二月份的时候,Lewis和她的一名研究生学生David Kolesky以及她研究团队的其他成员在Advanced Materials发表了一篇论文,论文描述了一种可以让细胞能大量增殖的新方法。通过一个专门定制的3D打印机,Lewis研究团队可以打印出类似人体内的蛋白矩阵和活细胞类型。重要的是,他们设法在这些细胞组织建立了血管网络,这就像是真正的血管一样,这些血管网络可以为细胞提供营养,保证它们继续存活。而这种打印的细胞,并不仅仅只是3D打印器官的成功例子,这更是为了实现3D打印器官这个目标迈出的重要一步。Lewis表示这就是我们称为的3D生物打印——是3D“生物”打印,而绝非简单的3D打印。

Lewis生长于伊利诺斯帕拉蒂尼,毕业于伊利诺斯大学香槟分校。大一的时候Lewis曾参加了一个陶瓷工程项目小组。之后,她一直是该项目小组的成员,直到获得麻省理工陶瓷科学博士学位。Lewis在采访中坦言她非常喜欢陶瓷的特殊属性。陶瓷可以制作玻璃、瓷器、泥土,它也可以导电,因此陶瓷是很多高科技电子产品的关键材料。

她还表示:“陶瓷的加工过程不仅仅是科学的体现,更包含了艺术。最吸引我的部分就是某些物质的材料可以根据组合方式的不同而拥有不同的特质。我非常享受这种创造材料的过程。”

1990年,Lewis回到香槟分校任教,并开始从事3D打印方面的工作。她认为,3D打印技术是按三维像素——即体素来构造材料的完美工具。她在采访中指出:“三十年前如果你想3D打印某个东西,你需要用紫外线固化树脂或热塑性塑料,做出来的基本上就是一个原型模具,但这不是我想要的。我想要做出来的是一个实用的材料或者是设备。”

2001年,Lewis开始和Scott White合作,后者在材料工程领域可谓是技艺高超的专家。多年来,Scott White一直致力于开发一种可以在遭遇破坏后自行修复的塑料或者其他类型的建筑材料。White在采访中告诉表示:“汽车还有飞机上的塑料或金属零件如果遭到外界碰撞,那么产生的裂痕就会损害汽车还有飞机的使用寿命,而这种裂痕通常不易从外表上发现,这样就会给人们的生命安全带来威胁。此前,White和他的同事Nancy寻找到了解决这个问题的良方。首先,他们利用3D打印机创建出一种充满微胶囊的新材料,而这种新材料的微胶囊里则充满了特殊的愈合剂。当材料受到磨损时,微胶囊就会打开并释放愈合剂。这种愈合剂实际上是由单体、塑料分子组成的。当愈合剂接触到材料中的其它化学物质时,它就会发生一系列化学反应,从而修复潜在裂缝。



而当Lewis加入这个团队后,研究人员便意识到这种材料应该有自己的微通道。只有这样,愈合剂才能更快速的接触并且修复裂缝,这就像体内的凝血蛋白和血小板通过毛细血管到达和治愈伤口那样。为了建立这样的微通道,研究人员期初采用了加热时会融化的蜡基油墨作为打印材料。2011,Lewis开始开发普朗尼克(聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物)油墨。普朗尼克在室温下是凝胶状,然而不同于其他材料,它在冷却至略高于冰点时,就会变成液体。利用3D打印机,Lewis和White就可以打印出嵌有普朗尼克油墨胶体网络的塑料物体。然后,这种物体可以被冷却,这时液态的油墨就可以被吸出,留下一条“通道”。因为这种独特的创建通道的方式,Lewis经常将这种材料称作为“逃跑油墨”。

Lewis还补充道:“我实际上是从生物领域得到了启发,从而想到了这个创造可以自行痊愈材料的方法。在这个项目中,我主要是负责找到一种可以在3D打印油墨中嵌入微血管网络的方法。一旦我们成功了,我相信这将产生广泛的影响。”

2013年,Lewis离开了香槟分校,接受了哈佛大学给他提供的一份教师职位,主要负责在Wyss研究所进行生物启发工程方面的研究。她的实验室不但拥有数十个本科生还有研究生在工作,还占据了主校区北部的一个绝佳位置——周边非常安静,实验室就坐落在这栋由玻璃和混凝土建造而成的建筑里的教室里。实验室中央是三台专门定制的3D打印机,每一台打印机都价值25万美元。当我在九月拜访Lewis的时候,我就向她表示了我非常期待见到一台3D打印机的愿望。

于是,Lewis带领我穿越了错综复杂的走廊还有办公室,最终到达了其中一台打印机所在的房间。第一眼看上去,3D打印机真的是非常庞大。打印机的底部是一块巨大的花岗岩,长约五英尺,宽约四英尺,高约一英尺,重达1.5吨。Lewis告诉我:“对于3D打印机而言,拥有一个稳定的地基对于它进行精密的工作是非常重要的。”花岗岩纸上是一个水平的平台,平台上方则竖直矗立四个长方体的铁质容器,每一个都有一英尺之高——这就是3D打印机的油墨分配器。尽管每一个分配器都位于小型圆锥塑料尖端的底部,但是从功能上而言,这些分配器就和杂货店里大型食物货架上管螺母一样。各色电线将分配器和其后方的机器连接在一起,而每一个分配器则是由其顶部的机器手臂来控制。打印机两侧还有一个大型的检测仪和电脑来对其控制。

Lewis还补充道:“每一个分配器中都含有不同的生物材料。其中一个分配器内装有的是悬浮状态的胶原蛋白,这是人体内组织细胞成型所需要的蛋白矩阵。而另外两个分配器则装有悬浮状的纤维原细胞,这种多软骨细胞可以形成人体内的连接组织。(纤维原细胞是遗弃的新生儿的包皮中提取出来的,医院通常会保留这种纤维原细胞用来进行研究。)最后一个分配器中则含有之前Lewis设计出来为材料创造渠道的“逃亡油墨”。同Lewis共同工作的研究生David Kolesky接下来会来解释分配器是如何进行工作的。

首先,他将一块干净的载玻片放在了其中一个分配器下面的平台上。然后,他在电脑上打开了一个软件程序,然后找到了一张细胞组织的图片并将它打印了出来。打印出来的细胞组织看起来就像是一个半透明的长方体明胶,明胶内部则含有血管网络:细胞从一端的通道中进入,然后分开流入更小的血管中,接着围绕这些血管进行环流,最终又重新汇合在一起,进入另一端的一个血管中。这就是一个简单的血管网络,基本上和人体内动脉分流成更小的毛细血管然后最终又汇合进同一个血管的过程类似。Kolesky表示他们甚至可以设计成你想要的血管类型。他向我展示了另一块载玻片,这张载玻片上则显示了一个更加复杂的分支血管类型,看起来就像是一个无叶的树的枝干。我突然意识到:这是基于向心脏表层输送氧气和营养的血管而设计的模板。

接下来Kolesky就开始讲述重点了:“含有‘逃跑油墨’的分配器会快速的运转,速度快到肉眼几乎无法察觉到。与此同时,它会释放出一种类似于琼脂、非常细薄的胶体。3D打印机工作起来会发出噼里啪啦的声音,就像是一个在飞速旋转的机器。一分钟时间左右,3D打印机就已经打印好了所需要的内容,还会遗留下一串凝胶状的油墨,正好和电脑上的图案相匹配。油墨的直径大约是一毫米的十分之一,整个图案覆盖的面积只比纸板火柴大一点。



此时,3D打印机的任务还没有完成,Kolesky又继续向我解释了接下来的步骤。其他的油墨分配器则会轮流运行,还会留下由胶原蛋白与纤维原细胞组成的网状结构,而这些物质则会牢牢固定在“逃跑油墨”形成的血管网络周围,正好把血管网络包含在棕褐色的活细胞组织中。为了让“逃跑油墨”从分配器中流出,Kolesky会将细胞组织放在一个冷冻的石管中,这可以将凝胶状的油墨转变为液态。之后,他会用一个抽吸装置来将油墨提取出来。最终,错综复杂的血管网络中就会遍布活细胞组织,而这些细胞就能在血管中给细胞传递营养。

最后一步对于我来说是非常震撼的。一旦血管中空无一物,Kolesky就会将悬浮状的内皮细胞注入进血管网络中,从而使血管网络中充满内皮细胞。这些内皮细胞会在渠道内部进行“定居与繁衍”,将这些渠道快速有效的转变为血管。接下来这些细胞就会从现有的血管中分离出来,形成新的血管,这样一个复杂的血管网络就形成了。事实上,Lewis和她的研究团队创造的这个对细胞来说是“家”的环境要远比培养皿或是无机支架要更适宜细胞的成长。之前在培养皿和无机支架中培养过的细胞已经证明了这一点。

Lewis还表示:“我们设计出的公用通道是用来让肉皮细胞从中脱离出来的,这样肉皮细胞就会拥有属于自己的私人通道。接下来就要靠这些细胞自己的智力来成长了。”

Lewis的方式不过是众多尝试创建复杂组织细胞的方法之一。布莱根妇女医院和卡耐基梅隆大学的研究人员,正开发磁控制的“微型机器人”,这种机器人将细胞按照预先安排的结构排列。而波士顿大学、莱斯大学、麻省理工大学的研究团队,正在研究用糖基“油墨”制作3D血管。其中一名研究人员对Lewis的工作赞不绝口,称她是“全世界3D打印器官领域的领导人”。

革命性改变

而对于Lewis来说,她对3D打印技术在制药领域带来的变化充满了热情。每年,数十亿的美元都用来进行药物试验,来检测这些药物是否会发生新陈代谢或是带来什么样的副作用。Lewis在采访中表示:“我们希望能提供一个快速失败的模型,利用这个模型,这些药物就可以在3D人体细胞组织中进行检测,而他们的毒性也可以检测出来,这就避免了在动物和人类身上进行测试所花费的时间和精力。”

但是Lewis也承认她确实考虑过用3D打印技术打印出功能完整的器官的可能性。她在采访中承认:“创造出一个完整的肾脏,其难度堪比登月。要做的第一步就是创建出一个肾单位,这是肾脏构成的最基本的单元。我们的研究团队已经证明了3D打印技术可以打印出任何类型的血管渠道,而肾单元血管也不过是另一种血管类型。最近,我们团队已经发现了一种可以将人体肾脏中的上皮细胞与创造的渠道连接在一起的方法。我们将这一发现看作是3D打印肾脏技术走向成功的阶梯,接下来我们会继续研究。事实上,即使是创造一个简单的肾单元也可以算得上一项大成就。然而,每一个肾脏中大约有一百万个肾单元。”

在我离开实验室之前,Kolesky像我展示了他们的孵化器,那是一个就放在3D打印机旁边的白色盒子,大约为一个寝室大小的冰箱。他打开门,在书架上方的一个载玻片上有一个已经打印完成的组织细胞。一根约为和意大利面差不多粗细的精致的塑料管从一段进入,开始输送葡萄糖、氨基酸还有其他重要的营养成分。而另一个和意面差不多粗细的试管从另一端进入,将二氧化碳、衰弱的蛋白质以及其他细胞垃圾带走。Kolesky表示在这样的情况下,细胞组织已经存活了两周之久。尽管我从外表看不太出来具体有多少,但是这些组织细胞确实在茁壮成长,但在我看来,这一切就是伟大成就的开端。

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