我國3D生物打印產(chǎn)品可修復(fù)腦膜正式上市

         近期，國家食品藥品監(jiān)督管理總局授予一種人工硬腦膜產(chǎn)品注冊證，這標(biāo)志著中國個生物3D打印產(chǎn)品正式開始應(yīng)用。獲得產(chǎn)品注冊證的人工硬腦膜產(chǎn)品名為“睿膜”，其研發(fā)單位廣州邁普公司首席技術(shù)官徐弢博士說：“該產(chǎn)品2011年已經(jīng)在歐洲應(yīng)用，迄今病例達(dá)一萬多例。除此之外，一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心平臺技術(shù)和產(chǎn)品，包括個性化顱骨、無張力尿失禁懸吊帶修復(fù)系統(tǒng)、骨盆底修復(fù)補(bǔ)片等新型人體組織再生修復(fù)產(chǎn)品，也相繼在國內(nèi)外完成或即將完成上市注冊。” 
         隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，未來的醫(yī)療技術(shù)手段將充滿想象空間。 
         每1.5小時就有一位病人在等待器官移植中死去，于是，以修復(fù)病損組織和器官為目的的植入材料和器械等逐步進(jìn)入臨床應(yīng)用或者試制階段 
         器官移植是很多人體器官功能衰竭或損壞患者的救命“稻草”。然而，組織器官短缺是一個世界性的難題。根據(jù)美國器官資源共享網(wǎng)絡(luò)公布的數(shù)字，目前美國有超過11萬人等待器官移植，而捐贈人數(shù)只有不到1萬人；全世界大約每1.5小時就有一位需要進(jìn)行器官移植的病人在等待中死亡。而中國人口眾多，需要修復(fù)和移植組織器官者數(shù)量更加龐大。 
         于是，以修復(fù)病損組織和器官（如皮膚、骨、血管、膀胱等）為目的植入材料和器械等，逐步進(jìn)入臨床應(yīng)用或者試制階段。目前，用于組織修復(fù)的植入器械產(chǎn)品，主要分為人工合成材料和生物材料產(chǎn)品兩大類，如自體組織、動物組織、傳統(tǒng)合成材料產(chǎn)品等。然而這些材料也面臨一些問題，如來源有限、加工制造技術(shù)有局限性，或者異體材料有傳染疾病的風(fēng)險，應(yīng)用起來都存在各自難以克服的缺陷。在日本，就曾出現(xiàn)過因采用其他動物組織進(jìn)行腦膜修復(fù)而導(dǎo)致多例致命傳染病的事件。 
         進(jìn)入21世紀(jì)，美國Clemson大學(xué)托馬斯·波勒（Thomas Boland）教授提出“細(xì)胞及器官打印”的嶄新概念，這也是現(xiàn)代意義上生物3D打印技術(shù)的起源。2001年，中國留學(xué)生徐弢投在波勒先生的門下讀博士，專攻生物3D打印平臺技術(shù)研究。兩年后他經(jīng)過實驗證實，這一概念可以實現(xiàn)，有關(guān)論文發(fā)表后，《科學(xué)》雜志重點介紹了這一革命性的成果。2006年，師生攜手在美國拿到世界個細(xì)胞及器官打印的生物3D打印發(fā)明專利。 
        

          3D打印技術(shù)早是被用以制造工業(yè)零部件的3D模型。如果說3D打印技術(shù)已經(jīng)是一門新熱的高新技術(shù)，那么生物3D打印技術(shù)則像是皇冠上的明珠一樣高新尖。生物3D打印技術(shù)（學(xué)術(shù)上也稱生物3D增材制造技術(shù)）是跨學(xué)科和領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，其首先是通過計算機(jī)處理CAD數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行逐層累加材料的3D打印，加工細(xì)胞或者生物構(gòu)造塊等活性材料，以重建人體組織和器官等生物產(chǎn)品。 
         如何將這門高新技術(shù)加速應(yīng)用并達(dá)到產(chǎn)業(yè)化？這在高校是難以實現(xiàn)的。于是，徐弢與同在該系讀博士的袁玉宇一同回國創(chuàng)辦了邁普公司。此時，恰逢國家大力吸納海外精英的大好時局。袁玉宇、徐弢先后被中組部認(rèn)定為“千人計劃”創(chuàng)業(yè)和創(chuàng)新人才，并得到了國家和地方政府的大力支持。 
         模擬人體結(jié)構(gòu)

         促進(jìn)缺損組織修復(fù)再生

         “睿膜”看上去就像普通紙巾，但其內(nèi)部卻有千萬個與人體自身結(jié)構(gòu)相似的微孔，為成纖維細(xì)胞的長入提供支架，利于自體腦膜的生長 
         從政府到風(fēng)險投資公司都紛紛看好這種技術(shù)的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景，給邁普的起步予以資金支持。邁普公司團(tuán)隊具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果在2011年開始進(jìn)入應(yīng)用市場。代腦膜在歐洲首先獲得CE注冊證，3年多病例達(dá)到1萬多人，醫(yī)生和病人都反饋良好。 
         邁普團(tuán)隊還與清華大學(xué)生物制造工程研究所合作，目標(biāo)是開發(fā)出系列適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的生物3D打印工藝和裝備。目前進(jìn)展較大的是復(fù)合低溫沉積成形這種全新的3D生物支架打印技術(shù)，該技術(shù)是清華大學(xué)主導(dǎo)開發(fā)的具有國際領(lǐng)先水平的生物3D打印技術(shù)和裝備，突破我國在生物3D打印核心裝備上的瓶頸。 
         在這里，按生物3D打印要求特別設(shè)計的醫(yī)療潔凈生產(chǎn)車間不大，我們看到的打印生產(chǎn)設(shè)備就像一臺精密機(jī)床。通過特制打印噴頭一層層地在滾筒上“噴涂”，“大概要來回幾千趟，才能打印出0.2毫米厚的腦膜。”袁玉宇介紹，如果滿負(fù)荷生產(chǎn)，一臺機(jī)器一年產(chǎn)值可以達(dá)到1億元。 
         別小看這臺看上去并不復(fù)雜的設(shè)備，以及如同普通紙巾一樣的腦膜產(chǎn)品“睿膜”，它內(nèi)部可是有千萬個與人體自身結(jié)構(gòu)相似的微孔。它以合成生物高分子材料構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為成纖維細(xì)胞的長入提供支架，細(xì)胞在支架上遷移生長，利于自體腦膜的生長，促進(jìn)缺損腦膜的修復(fù)、再生。與其他方式相比，“睿膜”模擬自體腦膜組織基質(zhì)結(jié)構(gòu)，生物相容性好。當(dāng)它被貼到腦膜破損之處時，相當(dāng)于傷口馬上縫合起來的效果。隨后，病人自體細(xì)胞會漸漸找到這里，進(jìn)入這個“新家”，僅僅兩周后，細(xì)胞們就連成了片，形成新生組織。一般到數(shù)個月后，這塊完成了任務(wù)的材料會“識趣”退出，自行降解成完全無害的水和二氧化碳。 
        

         生物3D打印技術(shù)還在疝修補(bǔ)技術(shù)方面有所突破。同樣道理，所植入的仿人體結(jié)構(gòu)打印件也能引導(dǎo)細(xì)胞找到“新家”。 
         現(xiàn)在對尿失禁的治療，多是采用聚丙烯材料植入，由于其質(zhì)地較為堅硬，病人會因摩擦感到疼痛。而邁普使用無張力尿失禁懸吊帶修復(fù)系統(tǒng)，只需20分鐘的簡單手術(shù)就可以植入；由于具有技術(shù)水平高、材料安全可靠、可設(shè)計性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，植入后患者可有效改善壓力性尿失禁癥狀；與人體組織結(jié)構(gòu)高度相似也使其能解決現(xiàn)有編織型吊帶產(chǎn)品侵蝕尿道及陰道前壁的不足，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。據(jù)了解，該項技術(shù)正在國內(nèi)12家醫(yī)院進(jìn)行臨床實驗，為無數(shù)患這種病的婦女帶來新的康復(fù)希望。 
         “按需打印”領(lǐng)域無比廣闊 
         未來，生物3D打印不僅能解決器官短缺的難題，還將對藥物開發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，可能的是，生物3D打印將成為一種普遍的醫(yī)療模式

         這些是工程的技術(shù)，也是生物、醫(yī)學(xué)及臨床多學(xué)科的融合。 
         袁玉宇告訴筆者，除了腦膜、尿失禁懸吊帶修復(fù)系統(tǒng)這些通用型器材，目前大熱的還有個性化設(shè)計和成型的生物3D打印器材產(chǎn)品。 
         一片有厚薄變化、弧度變化的殼狀物，這可不是普通玩意兒，而是根據(jù)病人CT圖進(jìn)行精確工藝成型、能夠與傷口密切吻合的生物3D打印的人工顱骨。和一般的鈦合金制作顱骨相比，不僅達(dá)到了細(xì)微變化的高要求，也使得安裝者在過安檢時不再會遇到麻煩。 
         而這一切僅僅是開頭。 
         生物3D打印實現(xiàn)了活性打印材料的應(yīng)用，正在儲備中的技術(shù)則是打印細(xì)胞，將來還會實現(xiàn)器官打印。袁玉宇認(rèn)為，生物3D打印技術(shù)雖然取得不小的進(jìn)展，但不宜過熱、過急。從它被實驗證實迄今已經(jīng)14年，還面臨許多挑戰(zhàn)。所以，細(xì)胞和器官打印技術(shù)不是夢，但要實現(xiàn)還需要一定時間。 
         那么，生物3D打印細(xì)胞是怎么進(jìn)行的呢？打印機(jī)有兩類打印頭，一類放置數(shù)以萬計的人體或動物細(xì)胞，被稱為“生物墨”；另一類可打印“生物紙”，即主要成分是水凝膠，可用作細(xì)胞生長的支架。這令細(xì)胞得以在動物體外生存一段時間。“將來技術(shù)成熟了，如果使用來自患者自己身體的細(xì)胞打印器官等，移植后就不會產(chǎn)生排異反應(yīng)”。 
         然而，即使打印出來，需要解決的還有體外細(xì)胞是否能存活、發(fā)育、分化和融合等一系列問題。
2007年，利用人的羊水干細(xì)胞打印出骨組織；2009年，用心肌細(xì)胞為材料打印出來的心肌組織問世，并保持跳動的活性狀態(tài)；而打印的皮膚組織已經(jīng)具有角質(zhì)層和成纖維細(xì)胞，已經(jīng)被美國批準(zhǔn)用于修復(fù)創(chuàng)傷的動物實驗。這些打印的細(xì)胞有著90%以上的存活率，而打印出來的活細(xì)胞存活時間長為4個月。 
         這一切聽起來是那么不可思議，如同魔術(shù)一般。可能的是，生物3D打印將成為一種普遍的醫(yī)療模式，解除移植器官資源緊缺的難題。100年后的醫(yī)療世界是什么樣，我們現(xiàn)在更是無法想象。 
        

         生物3D打印也將對藥物開發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。藥物研究大多需要各種級別的動物實驗和人體試驗，而未來以3D打印的模式器官來代替試驗，不僅有利于縮短臨床藥物研發(fā)周期，節(jié)省上億美元研發(fā)費用，還將避免潛在的人體試驗損害。 
         無論如何，生物3D打印為人類開拓了一個全新的醫(yī)療方向，把無數(shù)個不可能逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。 
         ■國外案例3D打印氣管支架植入嬰兒體內(nèi)

         生物3D打印技術(shù)在各國科研界也方興未艾。美國維克森林大學(xué)的研究員安東尼·阿塔拉從事3D打印腎臟的技術(shù)研究；普林斯頓大學(xué)研究員邁克爾·麥卡爾利用3D打印技術(shù)打印出細(xì)胞與納米粒子，然后將它與一小卷天線和軟骨組織結(jié)合起來，打印出了一只“仿生耳”，這只耳朵功能齊全，能聽到超越人耳聽覺范圍一百萬倍以上的電波頻率。 
         大部分研究者只是在實驗室里取得進(jìn)展，而個別研究者勇敢地向前邁出一步。 
         去年5月底，美國《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》報道了全球首例3D打印器官人體移植手術(shù)。這個奇跡是由密歇根大學(xué)安阿伯分校的醫(yī)學(xué)博士大衛(wèi)·措普夫（David A.Zopf）創(chuàng)造的?；純耗赣H在妊娠35周產(chǎn)下一個男嬰，他初初看起來身體健康，但在6個星期后出現(xiàn)胸壁凹陷和呼吸困難，被證實患有局部支氣管軟化癥。這意味著嬰兒在2個月大之前，都需要氣管插管才能維持呼吸，這對孩子來說無疑是極大的痛苦。因此，研究者用計算機(jī)設(shè)計了一個患兒氣管支架的模型，使用聚己內(nèi)酯構(gòu)成的生物可吸收材料，通過激光燒結(jié)技術(shù)制造了支架。 
         嬰兒被安置支架7天后，開始逐步撤除機(jī)械呼吸機(jī)，并在手術(shù)后21天停止了呼吸機(jī)的支持。一年以后，他們通過內(nèi)窺鏡造影手術(shù)觀察患兒的左主支氣管，發(fā)現(xiàn)一切正常。 
         生物3D打印器官流程

         生物3D打印機(jī)如何打印器官呢？它需要生物“墨水”，而有可能成為“墨水”的是人體細(xì)胞。首先，研究者從人們的骨髓或脂肪中提取出干細(xì)胞，通過生物化學(xué)手段，使它們分化成不同類型的其他細(xì)胞。隨后，這些細(xì)胞將被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含1萬到3萬個細(xì)胞。 
         生物3D打印機(jī)開動前，還必須對人體器官進(jìn)行精確的測量，完成器官的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 
         當(dāng)生物3D打印機(jī)工作時，每一滴“墨粉”出現(xiàn)在適當(dāng)?shù)牟课缓螅ㄟ^特定的生物膠水固定，打印器官的雛形便逐漸顯現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)比其他任何方式都要精確。當(dāng)3D打印器官初具模樣時，“墨粉”和膠水還不夠有機(jī)地結(jié)合，還需放入特定的培養(yǎng)箱里，待實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)和生理功能的完整后，才能達(dá)到人體移植的要求。