日本研究使用3D打印技术生产血管等复杂组织

日本研究使用3D打印技术生产血管等复杂组织

2016年07月26日讯 目前，在再生医疗领域，日本多家科研机构在研究使用3D打印技术生产血管等复杂组织。佐贺大学将iPS细胞（人体诱导多功能干细胞）培育出的细胞群打印成管状结构，制成血管。京都大学利用3D打印技术制成包裹着神经的筒状组织，并将其移植到实验鼠身上，实现了神经的再生。日本政府预计到2020年前后，iPS细胞将可用于治疗心脏病等疾病，正在加紧掌握与人体组织形状相近的人造立体组织移植技术。

iPS细胞不仅被用于治疗眼部的疑难病症，未来还可能被用于治疗心力衰竭和脊髓损伤。在培育用于移植治疗的长血管和立体内脏时，管状和袋状的组织结构常需要使用很多细胞。研究团队认为，既然3D打印技术的原理是层层叠加树脂材料打印成立体作品，如果用细胞代替树脂，也可以打印出立体的组织。

佐贺大学教授森田茂树的研究团队将人类iPS细胞培养出可发育成血管的细胞群，并在多排细针组成阵列的微型基座上层层串起细胞，最后打印出长2厘米，直径5毫米的管状结构。

将管状结构细胞从细针上取下，内部使用培养液贯穿。数天后分化成不同种类的细胞会在内壁形成细胞层，最终形成血管。今后将在猪身上进行血管移植实验。

该研究使用了发源于九州大学的新创企业Cyfuse与涩谷工业合作研发的“Bio3D打印机”。

目前有一种治疗心肌梗塞的方法是摘取患者的其他血管来替代被淤塞血管。但这种方法对人体会造成很大的负担，使用人工血管容易造成再次淤塞，因此人们对iPS细胞制成的血管期待很高。

京都大学副教授池口良辅的研究团队使用可分化成皮肤等组织的细胞，制成长8毫米，直径3毫米的管状结构。将其移植到被切除部分神经的实验鼠的创口处，8周后管内产生了神经连接，老鼠恢复行走能力。可见，筒状构造可培育长成神经的细胞，促进神经再生。计划3年后将该技术投入临床研究阶段。

3D打印和新材料

新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。应用于医疗器械中正在研发、性能超群的材料，比传统材料拥有更优异的性能。

3D打印真的能打印血管，制造“活皮肤吗?

在医学领域，3D打印技术的应用日益增多。3D打印假体、人工骨骼等，以及3D打印药丸，这些新产品的诞生为患者尽快恢复健康创造了更多的可能性。近年来，越来越多的研究者将3D打印皮肤作为一个新的研究方向，并取得了很大的进展。

皮肤移植是外科治疗中修复受损皮肤的主要方法之一。及时有效的伤口闭合一直是严重烧伤患者临床治疗的难题。探索相应的皮肤移植技术是烧伤医学的重要研究领域之一。目前，皮肤移植的临床治疗可以加速受损皮肤的愈合，但不可避免的是，覆盖受损皮肤表面的层仍会脱落，其中大部分是“去东墙补西墙”的治疗方法。移植的皮肤不能很好地与宿主细胞结合，这也是烧伤科和整形外科目前面临的一个大问题。受损皮肤的伤口表面如何更好地安装植入物？这项新的研究可能会有答案。

伦斯勒理工学院的研究人员使用3D打印技术对完整的血管活性皮肤进行生物打印。这项研究的结果是为人类创造更自然的皮肤移植方法的重要一步，人类移植排斥(影响移植物存活的主要因素之一)也有望得到改善。

然而，研究小组目前取得的成果不能完全称为成熟技术，但却是可行的。如果这项技术要达到临床可用的水平，研究人员还需要进一步努力。当前版本的3D打印技术需要使用CRISPR技术进行基因编辑，以修饰供体细胞，从而整合血管并被患者身体接受。

在短期内，这项技术可以用来帮助压力性溃疡或糖尿病患者。对于压力性溃疡患者来说，3D打印活性皮肤无疑是最完美的解决方案。溃疡通常发生在身体的不同部位，可以用小片皮肤来治疗。对于糖尿病患者来说，伤口愈合时间通常比正常健康人长，因此这种技术也有助于加速伤口愈合。

然而，对于那些严重烧伤和烫伤的患者，使用这种技术进行皮肤移植可能需要一些时间。这些损伤通常会导致神经和血管末梢的丧失。将3D打印的皮肤转移到这些受损组织更为复杂，因此研究团队必须克服困难。

人体内包含的各种“管道”网络就像搬运工。它们给我们的器官带来各种营养，并从器官中清除废物。从3D打印技术的角度来看，这些网络错综复杂，难以完美再现。然而，从动物试验到临床应用还有很长的路要走。我们期望并想象这种先进的医疗技术在未来能让更多的病人受益。

3D打印可以创造出一个活人吗？

理论上可以，但现阶段的3D打印技术，还远远不能满足这一设想，要等到未来的某一天，技术发展成熟，才有可能实现。

以几个例子来试图管中窥豹。

在英国《自然?通讯》杂志，曾发表过一项技术成果，通过3D打印技术，设计出来了功能正常的可移植卵巢。在生理上，该打印成果支持怀孕，不过只能运用在小鼠身上。

2019年，以色列的研究团队，通过病人身上的软组织作为原材料，通过3D打印技术，成功打印出心脏，该心脏具有细胞、血管、心室和心房等同真实心脏相媲美的精细结构，还拥有血管等精细软组织，更重要的是具有搏动功能，虽然远远不能运用在人体身上。属于全球首例，通过3D打印技术进行软组织打印。

国外媒体亦报道称，将?仿生皮肤?打印在机器人身上，用来产生触觉并感知世界。这样的技术，会在将来的某一天实现。

虽然通过现有的技术，只能打印单一的硬组织亦或是软组织，还无法运用在实际情况当中。而且人体内的细胞就足足有六十万亿，看起来难度很大。但是历史是一直螺旋上升的，将来的某一天一定会是科技大爆炸，那么通过3D打印技术，创造出一个活人并不会是一个很难的问题。

但是如果真有那么一天，那么道德问题势必会是一座大山横立在真实人类和人造人类之间。但那时候会在什么时候到来，仍未可知。科技永远是一把双刃剑，善加利用，对人类有着无穷裨益，但不好好使用，则会产生不可估量的灾难。而那时，精神乃至于个体都会被强烈冲击，形成多年的哲学等构建人类社会的学问会顷刻间瓦解然后重组，更会有难以想象的问题出现。

3d打印机在医疗行业的发展前景是怎么样的呢？

利用光固化技术，可以在精确控制的光照条件下固化感光聚合物形成结构。光固化3d打印机应用行业不仅出现在化工、材料等领域，现代应用主要集中在生命科学和医学领域。

应用案例：

光固化印刷技术可以制造更多的组织器官。这里有一些典型的例子。

软骨头：

在临床治疗中，软骨缺损的修复是一个很大的挑战。美国俄克拉荷大学和华南理工大学的科学家开发出一种新的双层水凝胶结构，该结构与纳米盒相结合，能有效修复骨骼和软骨的缺陷。

创伤修复

来自芬兰奥布研究所大学和澳大利亚伍伦贡大学的研究者使用纳米纤维和生物印花油墨。用钙离子与紫外光交联，低浓度生物墨水可印刷成结构稳定、精度高的三维生物支架。该打印支架对3T3成纤维细胞无细胞毒性和生物相容性，可促进成纤维细胞增殖。该研究为创伤愈合提供了潜在的应用前景。

心脏瓣膜

生物3d打印技术可以制备出解剖上精确的、具有异质机械特性且带有细胞的工程瓣膜。这是一种理想的可与病人组织联合生长的工程化瓣膜，可作为活体瓣膜的替代品，用于未来的治疗。

未来展望

除上述领域外，光固化3d打印机应用行业还包括神经生物学、血管、皮肤、角膜组织和器官芯片的研究。它已经成为3d生物打印过程中一个不可忽略的重要技术。

科学家用3D打印技术打造出会呼吸的人造器官，可否移植到人类身体？

科学家用3D打印出来的器官可以工作，但是由于技术不成熟，现在还不可以移植到人类身上，这样做，现在还处于初级阶段，相信总有一天科学家可以将这一技术发展的更好。

在各种模型中，研究人员已经验证了这种3D打印系统的可行性。他们发现打印的“血管结构”本身具有足够的硬度，不会因为血流而破裂。此外，它能经受住吸气和呼气的模拟。在测试中，研究人员高兴地发现，当红细胞流过系统打印的“血管”时，他们可以有效地从呼吸的“肺”中获取氧气，这与肺泡附近的氧气交换相同。

在3D打印的肝组织中，研究人员植入原代肝细胞，并将其植入慢性肝损伤小鼠体内。研究表明，这些肝细胞也能在体内存活，这表明所产生的血管能有效地向这些细胞输送营养。

“由于现存的瓶颈，组织工程在我们这一代几乎没有取得什么进展，”这项研究的另一位研究员凯里·史蒂文斯教授说。“这项工作可以帮助我们更好地理解，如果打印的组织能够像健康组织一样“呼吸”，它们在功能上是否会更接近健康组织。这是一个重要的问题。生物打印组织的有效性直接影响其作为一种疗法的成功。”

在《科学》杂志的专题介绍中，印刷的迷你风琴被直接称为“小奇迹”。为了方便世界各地的科学家使用这项技术，研究人员决定将这项研究“开源”并免费分享。他们希望在这项技术的帮助下，人们能够对3D打印的器官有更多的了解，并最终促进“人造器官”的加速上市，造福于大量需要器官移植的患者。

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