【工业之美】解读3D打印人体器官全过程
随着3D打印技术的问世与成熟，其应用范围也越来越广阔。除了建筑工程、航空航天、汽车、牙科和医疗产业等行业，3D打印也开始应用于医学领域。
美国康奈尔大学生物工程师胡迪·利普森指出，未来3D打印的最高阶段是生物打印，也就是用人体的组织或者干细胞来做原料，打印出和人体原来一样的器官。
美国《大众科学》统计了目前可以通过3D生物打印制造完成的五种人体器官，包括耳朵、肾脏、血管、皮肤移植片和骨骼，但还未大规模投入临床使用。
首先，科学家需要对病人进行CT扫描得到患者身体的各个部位精确图像数据；接着通过计算机软件来分析结果，同时制作成出一张“产品图”；再将其打印出后放到培养器中，以便细胞与细胞之间能互相“融合”；打印完毕后的组织结构可直接被植入患者体内，其中的细胞在生长因子的调控下，重新组合、分化，最终形成新的组织和器官。
3D生物打印过程原理图。图片来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所
据英国《每日邮报》报道，英国威尔士Morriston医院的整形外科医生们正在开发一种新的办法：用患者自己的细胞来进行3D打印器官。“我们正在试图使用人体细胞打印生物，并提供适当的环境和合适的时机，使它们成长为可以放入人体内的组织。它将重建人体缺失的身体部位，比如鼻子或耳朵的一部分，而且最终可以重建更大的部位，诸如骨骼、肌肉和血管等。”该医院的Iain Whitaker教授说。他表示，研究一旦成功，直接植入3D打印的产品后，将在两个月内将生成新的身体部位，甚至不需要从患者身体切下来坏器官再进行植入，这样众多不可治愈的疾病将有望得到治疗。
以3D生物打印耳朵为例，美国康奈尔大学的生物工程师们使用一副孩童耳朵的3D扫描图，在SolidWorks计算机辅助设计（CAD）程序的帮助下，设计出一个由七部分组成的模型，并分别打印出这些部分；随后将一种高密度的凝胶灌入该模型内，并在15分钟后将得到的“耳朵”移出并在细胞培养皿中培育，3个月后，这个培养出来的“耳朵”将可以取代原来耳朵。
3D打印耳朵的过程图。图片来源：英国科学网
北京大学第三医院今年6月15日宣布，利用金属3D打印技术，用6个半小时左右时间为患有脊索瘤的袁先生成功植入世界首个金属3D打印定制19厘米长的人造脊椎，以替代此前被彻底切除的5节脊椎。患者术后生命体征平稳，出血量很少。
金属3D打印定制的人造脊椎。图片来源：北京第三医院官网
“成功装上人工脊椎的患者，今后可以与常人一样工作和生活。”3D打印人工椎体（金属3D打印人体植入物的统称）研究团队的负责人刘忠军说。今年5月，国家食品药品监督管理总局批准注册了中国首个金属3D打印人体植入物——人工椎体。他还解释人工椎体的特殊之处在于能被制成海绵状的微孔结构，类似人体骨头中的骨小梁（即骨皮质在松质骨内的延伸部分）。有了这种“骨小梁”，相邻正常脊椎的骨细胞可以长入其中，最终实现骨融合。
3D生物打印与金属打印的打印原理在本质上相同，不同之处在于，生物打印机的不同之处在于使用了生物材料，在其中可以复合细胞、生长因子等活性成分，逐层构建活体组织。
据中国国家计生委2014年统计的数据显示，中国平均每年需要器官移植的患者达30万名以上，但能完成器官移植的不及1/30。每天有20名等待中的患者因未能及时得到器官亡故。
人民网报道，2015年3D打印人工椎体研究团队曾研制出3D打印人工髋关节产品。目前，中国经批准注册的3D打印人体植入物产品仅人工脊椎和人工髋关节两个。
真实的人体髋关节与3D打印髋关节的对比。图片来源：人民网
在研发这款产品之前，一套国产的人工髋关节需要2万元左右，普通的进口人工髋关节在3万-4万元，目前一般3D打印人工髋关节的价格是1.5万左右，而且患者可以使用20年。
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