从3d打印心脏模型到真实心脏还有多远

3d打印即快速成型技术的一种，出现于上世纪90年代中期。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。可运用于医疗、建筑、服装艺术、工业、文物修复、人像定制等领域。医用3d技术就是将二维医学影像数据转化成三维立体的影像，通过重建患者受损部位个体化信息，再将 信息传入电脑进行处理，随后连接到专用3d打印机上，1：1地将患者的受损部位“打印”成仿真模型，并在此基础上制定手术方案。在临床中可进行病情判定、 术前设计、模拟操作、假体选择、标本对比，使手术更加精准，并有效节省了术中时间，降低了手术风险，也能更直观的进行医患沟通和辅助教学，等等。

3d打印心脏――难道3d打印技术已经能打出一个真的活体心脏直接“装”到人体内了吗？未来这项技术并不是不可能实现，只是要真正打印出一个跳动的活体心脏并将其连接到血管系统，并且确保有足够的血液让其存活，还是现阶段技术突破的难点，需要走很长一段路。经常听到的已经运用到临床手术的“3d打印心脏”，目前大部分还仅限于通过3d打印技术复制患儿的心脏。虽然不是一颗“真心”，但却可以让医生在术前对患儿心脏解剖结构有一个直观的了解，设计出更精准安全的手术方案，解救更多的患者。

现阶段各国3d打印技术在心脏外科的应用，均属于起步阶段。tavi与常规开胸手术有很大的区别，医生在手术中无法直视心脏全貌，更无法切开心脏观察其内部细微结构，因此，术前影像学评估与术中导航至关重要。而无论ct、mri、b超等检查，都只能在屏幕上提供二维视野，术前主刀医生仍需仔细研究和测算患者的心脏及主动脉影像数据，并在自己头脑中二次加工，重建成立体构型。3d打印技术则可将患者的二维影像数据转化成栩栩如生且实物大小的心脏模型呈现于医生眼前，并可提供更多传统影像学检查难以显示的丰富信息，从而将上述复杂过程大大简化和标准化，使得手术更准确安全。

早在2013年美国科学家利用3d打印技术打印了第一份人类的心脏模型。该心脏样本是由塑料制成，是患有不寻常并发症病人的心脏的精确解剖副本。华盛顿国家儿童医学中心的儿科心脏病专家劳拉・奥利弗瑞（laura olivieri）3d打印的人类心脏耗费了25万美元。劳拉表示心脏副本对于练习复杂手术来说是非常理想的对象，它使得手术外科医生能够看清他们要进行手术的精确解剖情景。想要打印3d心脏，必须先输入单个病人计算机控制x线体层扫描术或超声波扫描获得的二维数据，这使得打印机能够逐层建立复制样本层。国外各大医院正在制定欲采用3d打印技术的早期计划。如今，3d打印制造的心脏模型也为越来越多的我国患者解除病痛。近日复旦大学附属中山医院心外科课题组首次将3d打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术(tavi)，成功为一例77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了tavi规划与导航。

将3d打印技术应用于儿童先天性复杂型心脏病的治疗在国内现在也已多见，去年河南省人民医院利用3d打印技术为一名年龄仅1岁的复杂先心病患儿成功施行了先心病手术。该院儿童心脏中心的专家们以1：1的比例，打印出患儿的一个心脏模型，根据该模型专家们经过详细研究和论证，制定出最科学的手术方案，最终通过手术彻底矫治了该患儿复杂的心脏畸形。

因为心脏是立体结构，单纯依靠心脏彩超检查，不能直观地看到室缺和大动脉的关系，难以确定最科学的手术方案。近日又在3d打印技术的帮助下，一个三个月大的复杂心脏病患儿在南京儿童医院成功进行了首次房间隔缺损修补大手术，症状有了很大改善。但多发性室间缺损由于术中无法直视探查，也无法明确缺损的具体位置、大小及各缺损之间的相互关系，因此再次手术的盲目性非常大。该院用3d打印技术打印出与患儿一模一样的3d心脏模型。该模型不仅可以观察病变部位，且非常清楚展现病变部位与周围组织的关系。专家在模型上反复练习后，近日在患儿心脏不停跳的情况下，很快运用微创技术对室间缺进行了封堵。手术后一周患儿就脱离了呼吸机康复顺利。

上述可知，3d打印制造心脏模型已经不算新鲜。这种快速成型技术出现以来，一直以数字模型文件为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。而3d打印真实心脏，涉及到的是3d打印技术中难度最高的一个分支――3d生物打印。

不同于普通3d打印使用的pvc塑料或金属，生物打印使用的材料是人体细胞和粘合剂。首先需要对人体进行ct扫描并通过计算机软件分析结果，建立人体的心脏模型，对细胞在每层组织中的位置做详细说明。其次再将模型进行分离，分别打印心脏的各个部件――心脏肌肉、血管、心脏瓣膜和电组织。

首先从成年人的骨髓和脂肪中提取干细胞，通过采用不同的成长因子，将干细胞分化成不同类型的其他细胞；心脏各个部件分别由不同类型的活细胞构成，生物打印机通过多个可以左右、前后、上下移动的生物打印头(bioprint head)，根据模型将相应细胞放在适当的位置，直到各个部件的三维结构完成。成功的再造器官至少由数十亿不同类型的活细胞构成，在实验室里培植和维持细胞的生命需要特别的程序和设备，它们需要营养、成长元素以及其他信息的交流。

并且人体细胞极为“娇嫩”，确保其在打印过程中成活非常困难，酸度、ph值、养分、二氧化碳等都对细胞的活性有很大的影响。最后，将打印成型的各部件放入孵化器中进行培养，依靠细胞自身的生物发育反应实现组合。细胞依靠天然的自我组织性质连接血管，最终组合每个部件，促成心脏的发育。这是3d打印心脏的最后一个步骤，如果一切顺利某一天听到培养皿中传来的跳动声，那么人类将再次创造历史！

目前人类生命科学的发展，还远不足以完成心脏3d打印这一过程。掌握生命的构成结构与创造一个活性机体之间的距离天差地远。人们对生命的认识还很有限，生命不是细胞、血管加神经就能简单复制的，其中的很多联系要比我们想象的复杂得多。更多挑战在于迄今为止人类对于微观世界的理解一直停留在二维水平。即使拥有现代计算机和制图软件，生物学家也很难从三维立体角度理解细胞与组织器官之间的相互联系。

目前一些医学团队有了一些半成功的尝试，2014年4月美国louisville 大学的团队成功的打印出心脏瓣膜和小静脉，不过目前还没有在人体上实验过。所以，就像人们已经掌握了基因图谱，但是至今也无法合成生命一样。虽然3d打印心脏有方法了，但“革命尚未成功，同志还需努力”。不过可喜的是，我们已经见到过很多3d打印心脏模型被用于制定手术方案的事例，这无疑为医生和病人双方都带来了很大的好处。

相信随着技术的发展、普及和相关费用的下降，3d打印在未来很可能会成为一种常规的医疗辅助技术，为更多的病人解除病痛的折磨。伴随着“阿发狗”开拓的2016人工智能元年，越来越多的科学技术会跨越飞速进步，相信未来的某一天3d打印真实人类脏器成为现实，让我们对科技的发展多一点信心和期待。

"世界上首个人体组织3d打印心脏的重要性？

根据我从cctv获取的资讯，“先从患者自身取出细胞，转化为干细胞，然后分化为心脏细胞和内皮细胞”，那就是ips嘛。

当前医学上一大热点，就是对“类器官（organoid）”的研究。

所谓类器官，顾名思义，是类似体内器官的一种东西。

通过在体外培养器官中的各种细胞，最后形成一个类似体内器官的细胞团块。

类器官用途很广泛，至少，可以用来模拟体内环境，对细胞在器官中的功能、结构等进行研究。

如果做得精妙，甚至有望用于替代体内器官，成为高产的器官来源。当然这个目标的达成还很遥远。

现在类器官的研究，主要集中在肿瘤研究中。为啥呢？因为肿瘤细胞在体外容易培养。

最粗糙的一种做法，就是把肿瘤块切下来，消化成细胞悬液，过滤后碎片等后，全部放进一个容器里进行培养。在一定培养基和细胞因子存在的条件下，可以长成一个类似体内肿瘤块的组织。

而对正常组织的类器官研究，还比较难。难点在于，器官，实在太复杂。

首先是细胞成分复杂。以报道中提及的心脏为例，根据报道中描述，这次应该只打印了血管和心肌。其实心脏不止心肌和血管两种组织，还有神经、脂肪和各种结缔组等。每种细胞的体外培养条件都不同，要能调和出一个全部细胞通用的、成分清楚的环境，确实比较麻烦。目前，含有多细胞类型的复杂类器官制备方法也是类器官研究中的一大重点和难点。

第二是结构复杂，3d打印难。还是以心脏为例，这次3d打印心脏的一个重要突破就是较大维度的结构被打印出来。以往的类器官体外培养方法，主要是给细胞营造一个适于生长的环境后，让细胞自行聚集成团，所有3d结构都是细胞在体外自发形成的。这次将细胞按照一个心脏的样式，构建出来，需要（1）先构建心脏的3d打印模型，（2）再使用适合细胞3d打印的喷头，（3）在一个具有一定支撑能力的环境中进行打印。

图为人cerebral organoid（脑类器官）的一个成长过程。可见虽然科研人员期待盘子里长出来一个脑子，但是实际上长出的是一团不规则形态的组织。
——转自知乎博主“忠君体国董仲颖”

3D打印能不能打印出来一个人类的心脏？

近些年来，随着科学技术不断快速发展，有更多的新发明新科技投入到生活实践中，而我们这些普通百姓正是这其中受益者。特别是其中这些年的手机和3d打印技术，他们两者的一个快速发展，我们有了一个新的时代体验。而其中的3d打印技术更是做出了让人们利用电脑就可以完成很多的一个模型制作等等实验。3d打印的一个器官，也是现在很热门的一个话题，3d打印的确是可以制造心脏的，这其中的原因有以下几点。

一、窦房结的跳动人们可以利用电来刺激。首先我们知道普通的心脏，它们的一个跳动是通过窦房结发出的电刺激，从而让心肌细胞得以节律性的跳动。也正如此，我们每个人能够正常的呼吸运动，正是因为窦房结它发出的电刺激让心脏这样能够正常的收缩和舒张。所以说现在人们可以利用电刺激来模仿其中的心脏。

二、人们对于心脏结构有了一个很深入的了解。其次3d打印技术，它能够合理的完成人们对它的一个技术的改变，也正是因为现在人们对于心脏有了更深入的了解，知道心脏它其中的一些构成层数和构造细胞。所以说现在人们能够完成这一项技术，正因为人类对于医学领域有了突破性的发展，才可以进行这样的完善和大胆的尝试。

三、3d打印技术的一个突破。还有最后一个原因就是3d打印技术，它近些年来快速发展，许多科学家们利用3d打印技术制造了许多的器官，比如说肾脏等一些器官。同时还利用山地打印技术，建造了许多高楼和模拟器具。所以说现在能够完成这些操作，也正是因为科学家他们突破性对3d打印技术有了更深入的改变和机器的研究。

手工心脏模型制作过程

手工制作心脏模型的过程需要以下步骤：

1.准备材料

泥土或黏土，用于制作心脏的形状、各种颜色的粘土，用于标记不同的部位、剪刀和刀具，用于剪裁和雕刻、色彩笔，用于添加细节和标识、铝箔和胶带，用于制作心脏壁和连接部件

2.制作心室和心脏壁

使用泥土或黏土创建心脏的基本形状，包括心室、心房和心脏壁。、用铝箔覆盖心脏壁，以使其更加牢固。添加红色和蓝色粘土到心室和心房中，以表示血液的流动。

3.制作心房和瓣膜

使用黏土创造心房和心脏的瓣膜。使用小刀和铅笔在瓣膜上添加标记。

4.完成心脏模型

将所有不同的部件连接在一起，使用胶带固定。添加任何其他细节或标识。完成后让模型干燥并展示。

拓展知识：

一、手工制作心脏模型

是一种学习心脏功能和结构的常见方法。在医学领域中，三维打印技术已被用于制作更真实的心脏模型，以帮助医生和病人更好地了解疾病和手术过程。此外，心脏模型也被用于教育和展示目的。

二、心脏模型

XM-402心脏模型是一种仿真医学人体模型，为成人心脏模型，模型呈舒张状态，置于支架上，可水平转动，作两个切面，一沿肺动脉根部作切面，露出左右心房内部构造，另一个沿冠状沟下方，作心室前壁切面，示左右心室内部构造。

心外膜已除去，示心肌纤维走向及心涡，心脏模型用于中学生理卫生、医学专业学校为讲解心脏构造时作直观教具，有助于学生了解心脏外部形态和内部构造，以及出入心脏的大血管与血液循环的关系。

三、心脏的形态位置

心脏位于胸腔内，膈肌的上方，二肺之间，大约2/3居正中线的左侧，1/3居右侧。心脏主要由心肌所组成的中空器官。其大小似拳头，呈圆锥形。心脏分心尖部与心底部。

心尖向左前下方，为游离端；心底朝右后上方，与大血管（主动脉、肺动脉、腔静脉、肺静脉）相连，将心脏固定在胸腔中。

心脏的表面有三条浅沟。近心底处，有一环形的冠状沟，冠状沟将心房与心室分开。从冠状沟发出二条纵行的浅沟，其一自心脏的前面（胸肋面）向下至心尖右侧，称前室间沟。另一自心脏的膈面向下至心尖右侧称后室间沟。

前、后室间沟是左、右心室在心表面的分界。冠状沟和室间沟内均有心脏的血管经过。

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