3D打印将为生物医学带来什么？

3D打印可谓当今的热门话题。看过《生活大爆炸》的同学也许还记得，有一集中Howard和Raj就花了5000美元买了一台二手的3D打印机，来DIY自己的人像公仔。而《碟中谍》系列电影中阿汤哥招牌的“手撕面具”动作，也为3D打印做了一个好广告。

对于生物学，尤其是医学研究，3D打印又能带来什么呢？如今，研究人员正利用这项技术来创建组织工程的支架、解剖模型、个性化的外科植入物，甚至是人造器官。

“3D打印开辟了我们之前没有的各种可能性，”密歇根大学耳鼻喉科的助理教授David Zopf谈道。“它的确是一个工具，就像我们在手术室中用到的许多工具一样。我想，我们才刚刚开始了解如何使用3D打印机，以及它有哪些功能。”

尽管“3D打印”这个词已经无处不在，但它所指的并不是单一种过程。正如打印在纸上的方法有许多种一样，3D打印也包括几种不同的技术。

一些3D打印机操作起来就像喷墨打印机一样，而其他一些则利用光来引发聚合反应。一些利用热来熔化并挤出塑料材料，就像牙膏一样，而另一些利用激光将粉末材料熔合成固体物，这种工艺称为激光烧结（laser sintering）。

“3D打印是一种反复的添加技术。它不是从一块材料开始，通过减法处理（如雕刻或研磨）来去除不想要的东西。添加制造从零开始，根据计算机的指令选择性地打造对象，每次打造一层，”莱斯大学生物工程系的助理教授Jordan Miller谈道。

手术材料

这项技术在生物医学中有多个应用，包括创建外科手术中的个性化植入物。Zopf及其同事就利用这种方法来治疗一些患有气管支气管软化症的儿童，这是一种可能致命的缺陷。这就好比你有一顶帐篷，但支撑帐篷的杆无法起作用，Zopf解释道。“这顶帐篷已经失去了它的结构，会慢慢坍塌。呼吸道也一样。”

2013年，Zopf及其同事在《新英格兰医学杂志》上发表了一篇文章，介绍了一种夹板，可随着儿童的生长而支撑呼吸道。利用计算机断层扫描（CT），研究小组建立了患儿气管的个性化解剖模型。然后，他们创建了一种定制的圆管，有些类似吸尘器的软管。它从一边打开，让呼吸道能够随着儿童的生长而增大。他们把这个固定在气管的外面，以保持呼吸道打开。

在这个病例中，他们利用激光烧结的方法，以聚己内酯来制造夹板，这种材料常用在缝合线中，在体内可逐步降解。“我们希望这些东西最终能被吸收，”Zopf说，“因为随着这些孩子的呼吸道不断生长，我希望它不会受到这个设备的约束。”

后续的研究发表在《科学-转化医学》上，详细介绍了这种技术在另外三个孩子中的应用。在其中一个病例中，两块夹板被移植到同一位患者体内，其中一块夹板的设计不得不调整，以确保它之后不会碰到另一块。“这种设计修改在3小时内完成，第二天打印，充分展示了3D打印的适应性和精确性，”作者写道。

Kyle VanKoevering是密歇根大学绿色实验室的一名研究员，也在工作中使用了3D打印。VanKoevering称，他利用这种技术来创建医学模型，以便计划手术干预，例如，精确计划在患者下颌骨的哪个位置开刀，以便切除肿瘤。“我们所做的任何事情，只要能节省手术室中的时间，就对患者有好处，”他说。

他还在探索用这项技术来打造手术模型，以便练习那些精细的过程。VanKoevering对鼻子特别有兴趣，它有着高度复杂的内部结构。“现在，我们最好的模拟机会是尸体组织，”他说。“不过3D打印机让我们能够打印出相同的东西，让学员能够练习手术过程。这些3D结构很容易更换，也不需要尸体。”

生物打印

3D打印的另一个生物医学应用是生物打印（bioprinting）。在这种情况下，“墨水”可以是细胞聚集物或水凝胶中的细胞，它们通过打印机而放置在一个矩阵中。

这种模型可用来改善药物开发过程中的毒理和药物测试。Organovo就是一家专门从事生物打印的公司，已开发出模拟肝功能的3D模型，作为传统细胞培养和动物模型的替代物。据介绍，肝功能无法由培养皿中的细胞所重复，而动物也不能很好地模拟人类。因此，毒理学的试验过去只能在临床试验中开展。Organovo向制药界的客户提供这些模型。

同样地，Miller也在开发生物打印的策略，以便建造他所谓的“中等尺寸”的组织结构 – 也就是毫升大小的肺或肝组织。“对我们而言，这是一个很好的开始，”他解释道。最终，Miller希望能建造全尺寸的人体器官。不过，即使是最简单的器官，也是非常复杂的，而研究人员并不清楚他们必须达到的复杂性。

Miller估计，这类移植至少要等到几十年以后。不过，技术发展得如此之快，“你可以看到整个领域为什么如此激动，”他说。想象它的未来发展，确实是件让人激动的事。

（作者：Jeffrey M. Perkel / 生物通编译）