環(huán)球科普：體內(nèi)3D打印技術(shù)或可治療胃潰瘍

圖片來源：Wenxiang Zhao
全世界范圍內(nèi)，平均每八個人之中就有一人患有胃潰瘍或其他胃部損傷的病癥。由于常規(guī)的傳統(tǒng)療法有其弊端，如今科學(xué)家們想要通過探索3D打印技術(shù)，使得直接在人體內(nèi)部構(gòu)建活細(xì)胞成為可能，從而更好地治療此類疾病。
就像 3D 打印機(jī)通過層疊材料來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框架一樣，生物打印機(jī)會通過堆疊活細(xì)胞來生成組織和器官。生物打印技術(shù)的長期目標(biāo)之一是向處在接受器官捐贈等待名單上的人們提供生物打印的器官。非營利性的器官共享聯(lián)合網(wǎng)顯示，僅在美國，就有近70000人處在等待名單上。然而，以這種方式生成功能性器官，如心臟或者腎臟的能力可能需要數(shù)年才能實(shí)現(xiàn)，更為現(xiàn)實(shí)的近期目標(biāo)是通過生物印刷得到較為簡單的結(jié)構(gòu)，例如骨移植物。另一方面，在體外打印的活組織仍需要通過手術(shù)植入，該手術(shù)通常涉及較大的切口，這會增加感染的風(fēng)險并且延長恢復(fù)的時間。
但如果醫(yī)生可以直接在體內(nèi)打印細(xì)胞呢？通過使用當(dāng)前的微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)，經(jīng)由小切口將 3D 打印工具插入患者體內(nèi)，然后打印工具即可打印新的組織。


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這種“體內(nèi)生物打印”的潛在應(yīng)用包括通過植入手術(shù)網(wǎng)來幫助治療疝氣以及修補(bǔ)卵巢從而治療不孕癥。先前有關(guān)體內(nèi)生物打印的許多研究都集中在皮膚和身體外部的其他組織的治療上。因?yàn)樗璧脑O(shè)備通常太大，在不進(jìn)行較大型手術(shù)的情況下，無法到達(dá)消化道和其他位于體內(nèi)的器官。為了減少治療胃部病變導(dǎo)致的創(chuàng)傷，中國的科學(xué)家們希望開發(fā)一種可以相對輕松地進(jìn)入人體的微型生物打印機(jī)器人。該研究領(lǐng)域的資深研究員，北京清華大學(xué)生物工程師徐濤表示：研究人員們利用現(xiàn)有的技術(shù)，創(chuàng)建了靈巧的電子設(shè)備，例如機(jī)械蜜蜂和由蟑螂啟發(fā)的機(jī)器人。
這些微型機(jī)器人只有30毫米寬，不到信用卡寬度的一半，并且可以折疊到43 毫米的長度。一旦進(jìn)入患者體內(nèi)，他就會展開到59毫米長并開始進(jìn)行生物打印。俄亥俄州立大學(xué)的機(jī)械工程師 David Hoelzle 說：“該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了巧妙的機(jī)制，使系統(tǒng)能夠結(jié)構(gòu)緊湊地進(jìn)入人體，而一旦通過了狹窄的入口系統(tǒng)便會伸展開來，從而提供較大的工作區(qū)域。”


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在他們的實(shí)驗(yàn)中，中國的研究人員們將微型機(jī)器人安裝到了內(nèi)窺鏡上，成功地將其彎曲，并通過了一根彎管進(jìn)入到透明的胃塑料模型內(nèi)部。在模型中，他們用機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)皿上打印含有在商業(yè)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人胃壁和胃肌細(xì)胞的凝膠。打印出來的細(xì)胞在10天內(nèi)保持了活性和穩(wěn)定增殖的能力。徐說：“該研究是將微型機(jī)器人和生物打印結(jié)合在一起的首次嘗試。”
研究人員說，主流的胃部病變治療方法包括藥物治療和內(nèi)窺鏡手術(shù)。藥物的作用緩慢，而且并不總是有效。內(nèi)窺鏡手術(shù)只能修補(bǔ)較小的傷口，由內(nèi)窺鏡輸送的噴霧劑可止血，但對較大的傷口幾乎沒有幫助。徐說，體內(nèi)生物打印的愿景是，通過在胃部病變部位修補(bǔ)適宜的活體結(jié)構(gòu)，最終幫助改善這些主流的治療方法。徐補(bǔ)充表示，未來的研究可能會將微型機(jī)器人的寬度縮小到12毫米，并為其配備攝像頭和其他傳感器，以幫助其執(zhí)行更復(fù)雜的操作。他和主要研究員，清華大學(xué)的趙文祥于今年夏天在Biofabrication上發(fā)表了他們的研究。
徐和他的同事注意到，他們用做生物印記墨水的凝膠只有在相對涼爽時才穩(wěn)定。在正常的體溫下，它們過于液態(tài)化而不能很好地形成結(jié)構(gòu)。此外，研究人員添加的幫助固化凝膠的氯化鈣溶液可能會損害人體。Hoelzle 和他的同事最近獨(dú)立開發(fā)的另一種凝膠有望解決這些問題，它可以在體溫下保持其形狀，并可以由可見光進(jìn)行固化。
生物打印的挑戰(zhàn)之一是如何有效地將打印的細(xì)胞附著到現(xiàn)有的軟器官和組織上。Hoelzle 和他的同事通過在質(zhì)地相似的材料（例如未加工的雞胸肉條）上修復(fù)刺孔來測試一種潛在的解決方案。首先，3D 打印機(jī)的噴嘴將一小塊生物墨水?dāng)D壓到穿刺處，形成一個可以將刺穿的組織連接到生物打印結(jié)構(gòu)上的錨點(diǎn)。然后他們慢慢地撤回噴嘴，后方緊跟的材料可以用來在組織外部打印更多的細(xì)胞。
“這項(xiàng)工作很有啟發(fā)性，”徐說。他補(bǔ)充說，利用這些方法將有助于體內(nèi)生物打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。Hoelzle認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可能永遠(yuǎn)無法打印復(fù)雜的器官。然而，通過在標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)中增加相對適度的可以釋放藥物以促進(jìn)愈合或預(yù)防感染的印刷結(jié)構(gòu)可能會有所幫助。Hoelzle 說：“組織工程材料有很多發(fā)展機(jī)會沒被人認(rèn)識到，畢竟沒有人想要切開病人來進(jìn)行治療?！?br>


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