生物打印、药理、手术......3D打印技术变革医学的Top5领域

在某人的主动脉内插入一个钢笔大小的血管支架之前,软管一样的动脉携带着血液远离了心脏,医生Jason Chuen喜欢在“患者”身上先进行一个练习。当然,那不是真的,而是一个塑料的。


Jason Chuen医生

这就解释了他办公室里的3D打印机,以及在墨尔本奥斯汀医院窗台上的色彩鲜艳的塑料主动脉。他们都是用真实的病人做的,依照CT扫描、超声波和X射线打印出来的。

“通过使用这种模型,我可以更加容易的评估它的尺寸是否适合,以及当我部署支架时,它是否以正确的方式弯曲,”Chuen表示。他是奥斯汀健康的血管外科主任和墨尔本大学的临床研究员。

他说,3D打印技术将会改变医学,无论是患者特有的手术模型、定制的假肢、个性化的随需应变的药物,甚至是3D打印的人体组织。在墨尔本大学机械工程系的帮助下,他按照自己的方式进行3D打印的研究,现在他所在的实验室已经发展成为医院的3D医学打印实验室。

“目前3D打印技术正处于医学研究的前沿,但在未来,我们所有在医疗保健领域的人会将这种技术视为理所当然,” Chuen表示。

在核心3D打印技术中,利用计算机导航技术,通过加热的塑料或粉末等材料,例如金属和陶瓷,将这些材料层堆积从数字计划中创建3D物体。3D打印正被用来打印任何东西,从玩具到食物,到按需生产军舰的零部件,甚至是无人机。医学是另一个前沿领域。


3D 打印塑料主动脉。图片来源: 奥斯汀健康 3D 医疗印刷实验室

在《Medical Journal of Australia》上,Chuen和他的澳大利亚同事JasamineColes-Black博士最近发表了一篇文章,提醒专业医疗工作者3D打印的潜力。以下是3D打印改变医学的五大领域:

生物打印和组织工程

这听起来像Frankenstein的东西,我们最终能3D打印人体器官吗?不确切,Chuen先生说。但他相信,在未来,我们将能够3D打印人体组织结构,并且这些打印出来的结构能够执行器官的基本功能,替代一些移植的需要。

科学家们已经开始使用3D打印技术来制造“类器官”,这种器官可以在很小的范围内模仿器官,并可以用于研究。它们是用干细胞来构建的,可以通过刺激使之生长成为特定器官的功能单位,比如肝脏或肾脏。他所提出的挑战是,将类器官提升到一个能够修复病人体内衰竭器官的结构。

这种“生物打印”使用一种电脑引导的移液器,它吸收了在营养丰富溶液中悬浮的细胞培养基,并将它们“打印”在凝胶中。没有这种凝胶,细胞就会变成一团水。问题是,Chuen指出,一旦在凝胶内部,细胞在几分钟内就会死亡。对于像类器官这样的小结构来说,这并不是一个问题,它可以快速建立,然后转移到营养液中。但是,当试图建立更大的东西,比如一个器官时,这就是一个问题了,因为最初的细胞层将在组织形成之前就会死亡了。

“除非有一些突破出现,使我们能够在打印的时候保持细胞存活。那么我认为打印完整的人体器官仍然是不可能的。但是,依然有这样的潜力,找到方法如何可靠地制造出类器官或组件,然后我们可以将之结合在一起,使它们像一个器官一样运作,”Chuen指出。

药理学

患有一系列疾病的人,如老年人,往往依赖于整天服用多种药物。但想象一下,如果一粒药片能取代医生开出的十粒药片呢?据Chuen表示,3D打印正在使这成为可能,它正在打开一个全新的定制药品的世界。


3D打印的“聚合药丸”可以用一颗药丸替代多种药物。图片来源:Pixabay

不是简单地将一种药物嵌入到一种用于在设定的时间溶解和释放药物的药片中,3D打印的精确度意味着药片设计成可以包含不同释放时间的药物。为糖尿病和高血压患者设计的含有三种不同药物的3D打印“聚合药丸”已经得到了开发。

也许在未来,医生会给你一个打印说明书的数字文件,替代现在的医疗处方。

手术预演

对使用3D打印模型进行预演的外科医生的研究表明,手术可以更快地完成,对病人的创伤也更少。仅是潜在的成本节约也是相当可观的。正如Chuen所指出的,运营一个手术室需要花费每小时2000澳元,即每分钟超过30美元。


3D打印肾脏,肿瘤是蓝色的和血管是粉红色和紫色的。这样的模型正在被外科医生用来预演他们的手术计划。图片:奥斯汀健康3D医学打印实验室

Chuen先生和Coles - Black博士已经开始打印病人肾脏的副本,以帮助奥斯汀的外科医生计划切除肾脏肿瘤。这种硬质塑料模型可以用更昂贵的柔性材料——如热塑性聚氨酯打印出来,会更加逼真。在Mr Chuen的办公室里,硬塑料主动脉的材料成本约为15澳元,而如果用软塑料打印,成本可能上升到50澳元。

3D打印生物模型的真正成本不仅仅是材料或打印机,还有用于将扫描转换成打印机文件的软件。Chuen使用的3D分割软件每年的成本约为2万澳元。

定制假肢

自从3D打印开始,人们很快就能看到为他们的宠物创造业余假肢的机会——从小狗到鹅,甚至是乌龟。与人类不同的是,对于宠物来说,没有量产的假肢。但是,随着3D打印技术越来越多地用于按需制造患者定制的假肢,量产的假肢可能会成为历史。

“例如,在髋关节置换手术中,外科医生必须切割和修复病人的骨头,以适应假体,但在未来,往往是3D打印假体以适合患者是正常的。”

分散式生产

就像3D打印允许定制药品和设备产品一样,产品本身也可能会本地化。Chuen表示,未来大量包装药品和假肢的仓库可能会被替代,通过医院和药店下载打印指导说明,然后利用存储的原材料按需求进行打印。

他说,这样的分散式制造可以使药品和设备在全世界范围内通用,只要当地的一家医院有打印技术并能获得原材料。

然而,Chuen警告说,分散式生产将为确保最终产品的质量控制带来新的风险。它将发生根本性的责任转移,从原本的供应商转移到药品或设备制造的地方。“这代表着一个巨大的转变,我们必须弄清楚它是如何运作的。但如果我们能够正确监管,那么它将改变人们对医疗产品的获取。”

但对于Chuen来说,医学3D打印的直接挑战是确保医疗专业人员自己能够跟上技术的发展。因为这需要他们的临床经验来推动医学3D打印能够在实践中成功应用。

Chuen表示,“这是一项革命性的技术,将使医疗保健变得更好、更快,更个性化。但我们需要更多的医学专业人员开始探索和试验这项新技术能够做什么。因为,许多我们认为不可能的事情现在已经成为可能。我认为我们正在走向一个世界,如果你能想象它,你将能够打印它——所以我们需要开始想象了。”

参考资料

[1] FIVE WAYS 3D PRINTING IS CHANGINGMEDICINE

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