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揭秘3D打印技术如何改善人类健康

导读: 本文中,小编整理了近年来相关的研究报道,共同解读科学家如何利用3D打印技术来改善人类健康!

本文中,小编整理了近年来相关的研究报道,共同解读科学家如何利用3D打印技术来改善人类健康!

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【1】3D打印卵巢具有生育能力

想一想3D打印的皮肤、耳朵、骨支架和心脏瓣膜,3D打印的爱好者会说,这种技术有产生医学革命的潜质。如今,由凝胶制成的人工卵巢能够使老鼠受孕并产下健康的后代。研究人员表示,这种工程化的卵巢总有一天能够帮助因放疗或化疗导致不育的癌症幸存者恢复生育能力。

并未参与该项研究的美国比佛顿市俄勒冈国家灵长类动物研究中心生殖科学家Mary Zelinski表示,这项“具有里程碑意义的研究成果”是“关于生殖系统组织的生物工程应用的一个重要进展”。

在这项研究中,科学家使用了一个具有发射凝胶喷嘴的3D打印机,而其所使用的凝胶来源于动物卵巢中天然存在的胶原蛋白。研究人员通过在载玻片上打印各种重叠的凝胶纤维图案来构建卵巢,这就像用林肯积木造房子一样,只不过是在一个更小的规模上——每一个脚手架据测量只有15毫米×15毫米大小。

【2】Circulation Res:重磅!3D打印补丁或有望修复心脏病患者受损的心脏

近日,发表在国际杂志Circulation Research上的一篇研究报告中,来自明尼苏达大学等机构的研究人员通过研究开发出了一种具有革命性的3D生物打印补丁,其能够帮助修复心脏病发作后患者的出现疤痕的心脏组织,该研究对于后效治疗心脏病发作患者机体的组织损伤非常关键。

据美国心脏协会数据显示,心脏病是引发美国人死亡的头号凶手,其每年会引发超过36万人死亡;在心脏病发作期间,患者机体的血流往往不会泵入到心脏肌肉中,从而就会引发心脏细胞死亡;我们的机体无法替换掉这些心肌细胞,因此机体的心脏中就会形成疤痕组织,从而就会使得患者处于心脏功能受损以及未来暴发心力衰竭的风险之中。

这项研究中,研究人员利用基于激光的3D生物打印技术将衍生自成体心脏细胞的干细胞掺入到了一种特殊支架中,这种干细胞就能够在特殊支架生长,并且在实验室的培养皿中还可以实现同步跳动。当将细胞补丁置于模仿心脏病发作的小鼠模型机体中时,研究者发现在接下来四周时间里小鼠机体的心脏功能发生了明显的增加,由于这种补丁是由心脏中土生土长的结构蛋白和细胞组成,其会转变成为心脏中的一部分并且被机体所吸收,这样就可以让患者免于手术了。

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【3】3D打印器官,离我们还有多远?

拥有了3D生物打印机,就如同换掉机器上的老旧零件,我们将无需为寻找稀缺的捐献器官而担心;实现了人工智能,机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作,面对可能存在的威胁与挑战,人类的发展或许又将迎来新的纪元;建立了量子通信网络,基于量子信息传输的高效和绝对安全性,更多的将享受到新一代通信技术可能带来的新变化……

随着科技的发展,很多以前只能天马行空般出现在科幻小说和电影中的场景,已不再是天方夜谭。今日起每两周,本刊将向您展示最新的、让人脑洞大开的前沿科技,探讨先锋科技的产业生态以及各类最炫酷的创新产品。

试想一下,你身上的某个器官或者组织出现了状况,你正担心能否找到稀缺的捐献器官。这时候,医院用3D生物打印机打印出一个全新的器官移植到你体内,就像换掉一个机器上的老旧零件一样简单……借助于科技的发展,这个以前只能出现在科幻小说和电影中的场景,已经不是天方夜谭。

【4】Lab on a Chip:科学家利用3D打印技术成功制造出人工血管

血管在我们机体中迂回曲折,其承担着运输必要营养物质排出有毒废物的机能,为我们机体器官的正常工作保驾护航,长期以来开发新型人工血管一直是个难题,近日,来自布莱根妇女医院的科学家通过利用3D打印技术成功地构建出了人工血管,相关研究成果刊登于国际杂志Lab on a Chip上。

生物工程学家Ali Khademhosseini博士表示,近年来我们在制造复杂的人工组织,比如人工心脏、肝脏以及肺脏等上取得了难以置信的成绩,然而开发出人工血管依然是组织工程领域的一项关键挑战;研究者们尝试着通过结合3D打印技术开发特殊的血管水凝胶结构来进行深入研究。

这项研究中,研究者首先利用3D生物打印机开发出了一种琼脂糖纤维模板来作为人工血管的模板,随后用水凝胶覆盖模板,形成一种铸造模具,最后通过交联技术来进行加固;利用这种新型技术研究人员已经成功构建出了可以表现出建筑学特性的微通道网络,随后就可以用水凝胶来填满微通道,比如甲基丙烯酸酯明胶或者基于不同浓度水凝胶类的多聚物。

揭秘3D打印技术如何改善人类健康

【5】美国西北大学开发出3D打印可定制血管支架

近日,来自美国西北大学的两位科学家Guillermo Ameer和孙成共同合作,使用3D打印技术开发出了能够根据患者身体情况进行定制的可生物降解弹性支架。

“当下绝大多数的支架都是用金属支撑的,只有现成的几种尺寸可供选择。”Ameer说,他是美国西北大学McCormick工程学院的生物工程教授兼Feinberg医学院外科教授。“医生们只能去猜哪种支架的尺寸正好适合保持血管开放。但是我们每个人都是不同的,最终的效果完全依赖于每个医生的经验,所以这不是最佳的解决方案。”

据了解,如果支架不合适的话,就有可能会在动脉中移动,干扰血液流动,这有可能最终导致植入失败。在这些情况下,医生就必须以某种方式重新打开阻塞的支架或进行旁路血管移植术。这是一个昂贵和高风险的过程。“通过3D打印具有能够满足患者血管对于精确几何形状和生物特性的要求的支架,我们预计可以最大限度地减少这些并发症的概率。”

【6】PNAS:利用干细胞定制具有抗炎作用的3D打印软骨

为了不用手术就可以治疗磨损发炎的髋关节,科学家们在类似髋关节股骨头的3D支架上诱导干细胞进行编程生长为新的软骨,同时结合基因治疗还可以激活新软骨释放抗炎分子防止关节炎复发。

该工作由华盛顿大学医学院的研究人员完成,发表在国际学术期刊PNAS上。

这项技术使用了一种3D可生物降解的合成支架,这种支架可以根据病人关节的准确形状进行定制,再利用病人皮肤下脂肪组织中的干细胞诱导形成软骨,将其覆盖在3D支架上从而获得新的关节软骨。随后将新软骨植入发炎髋关节表面,用活组织重新覆盖髋关节,从而消除关节炎疼痛,延缓甚至消除一些病人对关节替换手术的需要。

除此之外,研究人员还借助基因疗法将一个基因插入到新生的软骨细胞中,再用一种简单药物将其激活,该基因可以促进抗炎分子的释放进而防止关节炎复发。“在有炎症的时候,我们可以给病人一种简单的药物,激活我们植入的基因来降低关节部位的炎症,这样我们就可以在任意时候停止给药来关闭基因的表达。”研究人员这样说道。

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【7】3D打印“迷你大脑” 解密寨卡病毒

寨卡,一种通过蚊虫进行传播,症状与登革热相似的病毒,目前已经在美洲、非洲及亚洲等32个国家和地区大规模传播。

2015年春天,巴西确诊第一例寨卡病毒感染,之后病毒开始在南美洲快速蔓延暴发,自此,寨卡病毒再次进入人类视野。尽管目前尚未发现寨卡病毒对一般成人有致命危害,但是孕妇一旦感染,部分新生儿将会在出生20小时内死于小头畸形。

目前世界上仍未研发出能够有效对抗寨卡病毒的疫苗,这是最让研究人员感到担心的事情,因此今年2月1日世界卫生组织将寨卡病毒列为国际医疗紧急事件之一。到目前为止,感染最严重的巴西感染人数约为150万人,其中已有3500例新生儿小头症病例,而一些新生儿因为小头畸形问题严重而死亡。

但是最近,寨卡病毒的研究有了突破性的进展。4月22日,在美国工作的多名华人科学家在新一期美国《细胞》杂志上宣布,他们借助3D打印“造屋”技术,培育出了一种低价的“迷你大脑”,可用于研究寨卡病毒如何引起新生儿小头症和其他出生缺陷。

【8】Biomaterials:3D打印脑组织 可研究脑疾病

大脑是一个极其复杂的机体结构,其拥有大约86亿的神经细胞,目前研究者所面临的挑战就是创建一种台式脑组织,这样研究者就可以对大脑的结构进行精细化研究了。近日一篇发表在国际杂志Biomaterials上的一项研究报告中,来自国外的研究人员通过模拟脑组织的结构开发出了一种掺入神经细胞的新型3D打印层状结构。

台式脑组织的价值非常巨大,许多医药公司都花费了数百万美元来检测治疗性药物对动物模型的反应,目的就是在临床试验中来证实新型药物的多种作用,但他们并不确定人类的大脑和动物大脑到底差异性有多大。可以精确反应真实大脑组织的台式脑组织或许不仅可以帮助研究药物效应,而且还能帮助研究大脑障碍的发病机制,比如精神分裂症或神经变性的脑部疾病等。

研究者Gordon Wallace说道,我们在开发台式脑组织上的努力对于深入探究脑组织功能,同时开发新型药物实验性检测手段非常重要;我们距离打印大脑的目的还很远,但使得重排细胞的能力或可形成神经网络;为了制造产生6层脑组织结构,研究人员开发出了含有天然碳水化合物材料的生物墨水,这种材料具有特殊性,即可以使得细胞在结构组织上精确地分散,并且为细胞生长提供保护性屏障。

揭秘3D打印技术如何改善人类健康

【9】日本研究使用3D打印技术生产血管等复杂组织

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。

【10】世界上首例3D打印药物问世

毫无疑问,3D打印技术正在改变整个世界。从工业生产到设计,医药以及电力,这一技术对产品产生了革命性的推动作用。它将曾经昂贵且不易获得的产品变得廉价而又普遍。

因此,我们对Aprecia制药公司刚刚发布的一项声明也不会感到意外。根据《Science News Journal》的报道,Aprecia药业成为首个利用3D打印技术生产药物的企业,它们首次通过这一方法生产的药物叫做"Spritam",主要用于治疗羊癫疯。

目前,该药物不仅被成功打印出来,而且得到了FDA的批准,目前该药物已经在美国上市。

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