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我国首个3D生物打印产品上市 可修复破碎的脑膜

发布时间:2018-07-18 

       人的大脑头皮与头骨之间,有着一层薄薄的脑膜。如果要做脑部手术,就要先将这层薄膜切开一个口,手术后再用人体自身或其它动物的皮肤缝合。这样的程序扩大和延长了手术者的痛苦,而且有感染传染病的风险。而如今,用一种看上去像普通膏药一般的材料贴上去,就可简便快速地解决这一问题。
       今年4月,国家食品药品监督管理总局授予一种人工硬脑膜产品注册证,这标志着中国第一个生物3D打印产品正式开始应用。获得产品注册证的人工硬脑膜产品名为“睿膜”,其研发单位广州迈普公司首席技术官徐弢博士说:“该产品2011年已经在欧洲应用,迄今病例达一万多例。除此之外,一系列具有自主知识产权的核心平台技术和产品,包括个性化颅骨、无张力尿失禁悬吊带修复系统、骨盆底修复补片等新型人体组织再生修复产品,也相继在国内外完成或即将完成上市注册。”
       随着生物3D打印技术的发展,未来的医疗技术手段将充满想象空间。
逐层累加材料
打造器官等生物产品

       每1.5小时就有一位病人在等待器官移植中死去,于是,以修复病损组织和器官为目的的植入材料和器械等逐步进入临床应用或者试制阶段
       器官移植是很多人体器官功能衰竭或损坏患者的救命“稻草”。然而,组织器官短缺是一个世界性的难题。根据美国器官资源共享网络公布的数字,目前美国有超过11万人等待器官移植,而捐赠人数只有不到1万人;全世界大约每1.5小时就有一位需要进行器官移植的病人在等待中死亡。而中国人口众多,需要修复和移植组织器官者数量更加庞大。
       于是,以修复病损组织和器官(如皮肤、骨、血管、膀胱等)为目的植入材料和器械等,逐步进入临床应用或者试制阶段。目前,用于组织修复的植入器械产品,主要分为人工合成材料和生物材料产品两大类,如自体组织、动物组织、传统合成材料产品等。然而这些材料也面临一些问题,如来源有限、加工制造技术有局限性,或者异体材料有传染疾病的风险,应用起来都存在各自难以克服的缺陷。在日本,就曾出现过因采用其他动物组织进行脑膜修复而导致多例致命传染病的事件。
       进入21世纪,美国Clemson大学托马斯•波勒(Thomas Boland)教授提出“细胞及器官打印”的崭新概念,这也是现代意义上生物3D打印技术的起源。2001年,中国留学生徐弢投在波勒先生的门下读博士,专攻生物3D打印平台技术研究。两年后他经过实验证实,这一概念可以实现,有关论文发表后,《科学》杂志重点介绍了这一革命性的成果。2006年,师生携手在美国拿到世界第一个细胞及器官打印的生物3D打印发明专利。
       3D打印技术最早是被用以制造工业零部件的3D模型。如果说3D打印技术已经是一门最新最热的高新技术,那么生物3D打印技术则像是皇冠上的明珠一样高新尖。生物3D打印技术(学术上也称生物3D增材制造技术)是跨学科和领域的新型再生医学工程技术,其首先是通过计算机处理CAD数据模型,进行逐层累加材料的3D打印,加工细胞或者生物构造块等活性材料,以重建人体组织和器官等生物产品。
       如何将这门高新技术加速应用并达到产业化?这在高校是难以实现的。于是,徐弢与同在该系读博士的袁玉宇一同回国创办了迈普公司。此时,恰逢国家大力吸纳海外精英的大好时局。袁玉宇、徐弢先后被中组部认定为“千人计划”创业和创新人才,并得到了国家和地方政府的大力支持。
模拟人体结构
促进缺损组织修复再生

     “睿膜”看上去就像普通纸巾,但其内部却有千万个与人体自身结构相似的微孔,为成纤维细胞的长入提供支架,利于自体脑膜的生长
       从政府到风险投资公司都纷纷看好这种技术的应用及产业化前景,给迈普的起步予以资金支持。迈普公司团队具有自主知识产权的技术成果在2011年开始进入应用市场。第一代脑膜在欧洲首先获得CE注册证,3年多病例达到1万多人,医生和病人都反馈良好。
       迈普团队还与清华大学生物制造工程研究所合作,目标是开发出系列适合产业化应用的生物3D打印工艺和装备。目前进展较大的是复合低温沉积成形这种全新的3D生物支架打印技术,该技术是清华大学主导开发的具有国际领先水平的生物3D打印技术和装备,突破我国在生物3D打印核心装备上的瓶颈。
       在这里,按生物3D打印要求特别设计的医疗洁净生产车间不大,我们看到的打印生产设备就像一台精密机床。通过特制打印喷头一层层地在滚筒上“喷涂”,“大概要来回几千趟,才能打印出0.2毫米厚的脑膜。”袁玉宇介绍,如果满负荷生产,一台机器一年产值可以达到1亿元。
       别小看这台看上去并不复杂的设备,以及如同普通纸巾一样的脑膜产品“睿膜”,它内部可是有千万个与人体自身结构相似的微孔。它以合成生物高分子材料构成网状结构,为成纤维细胞的长入提供支架,细胞在支架上迁移生长,利于自体脑膜的生长,促进缺损脑膜的修复、再生。与其他方式相比,“睿膜”模拟自体脑膜组织基质结构,生物相容性好。当它被贴到脑膜破损之处时,相当于伤口马上缝合起来的效果。随后,病人自体细胞会渐渐找到这里,进入这个“新家”,仅仅两周后,细胞们就连成了片,形成新生组织。一般到数个月后,这块完成了任务的材料会“识趣”退出,自行降解成完全无害的水和二氧化碳。
       生物3D打印技术还在疝修补技术方面有所突破。同样道理,所植入的仿人体结构打印件也能引导细胞找到“新家”。
现在对尿失禁的治疗,多是采用聚丙烯材料植入,由于其质地较为坚硬,病人会因摩擦感到疼痛。而迈普使用无张力尿失禁悬吊带修复系统,只需20分钟的简单手术就可以植入;由于具有技术水平高、材料安全可靠、可设计性强等诸多优势,植入后患者可有效改善压力性尿失禁症状;与人体组织结构高度相似也使其能解决现有编织型吊带产品侵蚀尿道及阴道前壁的不足,减少术后并发症的发生。据了解,该项技术正在国内12家医院进行临床实验,为无数患这种病的妇女带来新的康复希望。
“按需打印”领域无比广阔
       未来,生物3D打印不仅能解决器官短缺的难题,还将对药物开发产生深远影响,最可能的是,生物3D打印将成为一种普遍的医疗模式
       这些是工程的技术,也是生物、医学及临床多学科的融合。
       袁玉宇告诉笔者,除了脑膜、尿失禁悬吊带修复系统这些通用型器材,目前大热的还有个性化设计和成型的生物3D打印器材产品。
       一片有厚薄变化、弧度变化的壳状物,这可不是普通玩意儿,而是根据病人CT图进行精确工艺成型、能够与伤口密切吻合的生物3D打印的人工颅骨。和一般的钛合金制作颅骨相比,不仅达到了细微变化的高要求,也使得安装者在过安检时不再会遇到麻烦。
而这一切仅仅是开头。
       生物3D打印实现了活性打印材料的应用,正在储备中的技术则是打印细胞,将来还会实现器官打印。袁玉宇认为,生物3D打印技术虽然取得不小的进展,但不宜过热、过急。从它被实验证实迄今已经14年,还面临许多挑战。所以,细胞和器官打印技术不是梦,但要实现还需要一定时间。
       那么,生物3D打印细胞是怎么进行的呢?打印机有两类打印头,一类放置数以万计的人体或动物细胞,被称为“生物墨”;另一类可打印“生物纸”,即主要成分是水凝胶,可用作细胞生长的支架。这令细胞得以在动物体外生存一段时间。“将来技术成熟了,如果使用来自患者自己身体的细胞打印器官等,移植后就不会产生排异反应”。
       然而,即使打印出来,需要解决的还有体外细胞是否能存活、发育、分化和融合等一系列问题。
2007年,利用人的羊水干细胞打印出骨组织;2009年,用心肌细胞为材料打印出来的心肌组织问世,并保持跳动的活性状态;而打印的皮肤组织已经具有角质层和成纤维细胞,已经被美国批准用于修复创伤的动物实验。这些打印的细胞有着90%以上的存活率,而打印出来的活细胞存活时间最长为4个月。
        这一切听起来是那么不可思议,如同魔术一般。最可能的是,生物3D打印将成为一种普遍的医疗模式,解除移植器官资源紧缺的难题。100年后的医疗世界是什么样,我们现在更是无法想象。
        生物3D打印也将对药物开发产生深远影响。药物研究大多需要各种级别的动物实验和人体试验,而未来以3D打印的模式器官来代替试验,不仅有利于缩短临床药物研发周期,节省上亿美元研发费用,还将避免潜在的人体试验损害。
       无论如何,生物3D打印为人类开拓了一个全新的医疗方向,把无数个不可能逐渐变为现实。
国外案例3D打印气管支架植入婴儿体内
       生物3D打印技术在各国科研界也方兴未艾。美国维克森林大学的研究员安东尼•阿塔拉从事3D打印肾脏的技术研究;普林斯顿大学研究员迈克尔•麦卡尔利用3D打印技术打印出细胞与纳米粒子,然后将它与一小卷天线和软骨组织结合起来,打印出了一只“仿生耳”,这只耳朵功能齐全,能听到超越人耳听觉范围一百万倍以上的电波频率。
       大部分研究者只是在实验室里取得进展,而个别研究者勇敢地向前迈出一步。
       去年5月底,美国《新英格兰医学杂志》报道了全球首例3D打印器官人体移植手术。这个奇迹是由密歇根大学安阿伯分校的医学博士大卫•措普夫(David A.Zopf)创造的。患儿母亲在妊娠35周产下一个男婴,他初初看起来身体健康,但在6个星期后出现胸壁凹陷和呼吸困难,被证实患有局部支气管软化症。这意味着婴儿在2个月大之前,都需要气管插管才能维持呼吸,这对孩子来说无疑是极大的痛苦。因此,研究者用计算机设计了一个患儿气管支架的模型,使用聚己内酯构成的生物可吸收材料,通过激光烧结技术制造了支架。
       婴儿被安置支架7天后,开始逐步撤除机械呼吸机,并在手术后21天停止了呼吸机的支持。一年以后,他们通过内窥镜造影手术观察患儿的左主支气管,发现一切正常。
生物3D打印器官流程
       生物3D打印机如何打印器官呢?它需要生物“墨水”,而最有可能成为“墨水”的是人体细胞。首先,研究者从人们的骨髓或脂肪中提取出干细胞,通过生物化学手段,使它们分化成不同类型的其他细胞。随后,这些细胞将被封存成“墨粉”,每一滴“墨粉”里可能包含1万到3万个细胞。
       生物3D打印机开动前,还必须对人体器官进行精确的测量,完成器官的结构设计。
       当生物3D打印机工作时,每一滴“墨粉”出现在适当的部位后,通过特定的生物胶水固定,打印器官的雏形便逐渐显现,其结构比其他任何方式都要精确。当3D打印器官初具模样时,“墨粉”和胶水还不够有机地结合,还需放入特定的培养箱里,待实现组织结构和生理功能的完整后,才能达到人体移植的要求。

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