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生物3D打印真的可取代器官移植?

导读: 如今,借由3D打印技术,可用自己的细胞打印出自己的心脏、肾脏,苦苦等待器官捐赠的患者,难道可以拜新科技所赐,再也不用面对等不到器官的窘境了吗?

器官坏了怎麽办?等着别人的捐赠还是动物器官的移植?在绝望的供需失衡比例之中,科技发达替患者带来了一丝曙光。

如今,借由3D打印技术,可用自己的细胞打印出自己的心脏、肾脏,苦苦等待器官捐赠的患者,难道可以拜新科技所赐,再也不用面对等不到器官的窘境了吗?

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3D打印遇上医疗

在检视新兴的3D打印技术是否真的能够解决器官短缺的难题前,先让我们来一窥3D技术的应用层面!

3D打印(3D Printing)是一个在电脑控制下逐层叠加原材料,打印成三维物体的过程。这样的技术用在生物医疗领域,主要可以分为四大部分:

一、模拟(Simulation)

过去许多需要手术的病患,患病部位细节都得在医生手术时,亲眼所见后才能随机应变、见招拆招。而在利用3D打印技术后,病患可以先做电脑断层扫描(CT Scan)及磁振造影(MRI)影像、机器建模后,3D打印出器官或内部组织模型,让医生在手术前即可更全面、精准的评估,以增加效率。

二、金属植入物(Metal Implants)

骨外科重建等手术常需要用到金属植入物,传统作法只能靠电脑模拟、加工开模制成,与人体匹配度低。现在利用3D打印技术,经由病人CT扫描及MRI影像后,即可定制出符合生物相容性的3D打印金属植入物,常见材料为Ti及Co-60,但须考虑人体排斥问题。

三、暂时性支撑材料(Temperate Material)

这种打印材料需能被人体吸收代谢,例如生物相容性PCL、蚕丝蛋白,用于泌尿道重建、下颚修补、心血管支架等,由于这项技术需通过药物法规,进行三期临床试验,目前仍处于研究阶段,遵循医疗研究法规进行实验,在欧美、日本皆有成功案例。

四、生物打印(Bio-Printing)

若在暂时性支撑材料上面放上细胞,加上生长因子诱发细胞生长,就是近期如火如荼发展的「生物打印」,科学家希望利用干细胞及自体细胞打印器官,取代器官移植,但目前技术只能打印出有作用的局部组织,完整器官的打印仍有很长的一段路要走。

看似如此神奇的生物打印技术,到底在哪里成功执行了呢?让我们来看看各地成功应用的案例。

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生物3D打印在世界各国趋势

在电影「绝地再生」中的复制人,可以随时提供主人所需的复制器官,在车祸、生病后无需等待器官捐赠,能使用没有排斥反应、完全和自体细胞匹配的组织;而这样的科技在今天看到了它的影子,那即是生物打印。

但到底还需过多久,才能实现如引言中所提到,解决成千上万患者的器官移植难题呢?让我们从各国的发展来一窥此技术目前的应用成熟程度。

美国Organovo公司在2015年成功打印出肝脏组织,且能维持功能40天,该公司将之运用于药物试验,减少动物实验用量;康乃尔大学也打印出心脏瓣膜及耳朵软骨,目前正在猪身上进行试验。

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日本已经将3D打印人工脊椎骨应用在病人身上,并着力开发皮肤、软骨与关节组织的生物打印。另外,德国也发展出新一代生物墨水,降低打印后与人体的排斥反应,而韩国、俄罗斯亦积极开发,奋起直追。

台湾目前在国防医学院、台北荣总及中国医学大学附设医院均设有3D打印研发中心,通过医疗人员及工程师等跨领域合作,针对实际个案设计出1:1的骨头、器官模型,让医疗团队能在术前精准规划手术方案;也能定制化手术导板,协助手术进行。

生物打印与再生医学的困境与突破

上述提到的打印器官技术,虽然看似酷炫新奇,但现实层面上仍有许多未解决的实践问题。

从技术实践的问题来看,首先,生物打印是用病患自体的细胞制作「生物墨水」,填入打印机喷头。细胞数量、品质能不能撑过喷射堆叠过程而顺利存活下来,这是第一个难题。

再来,生物打印需要用「水凝胶」(hydrogel)等材质做出器官的支架,让细胞能附着在上面生长。待组织生成一定程度,支架需要被吸收或排出,这是第二关卡。最后,器官印出来后,血管能否与周遭组织相连接,顺利输送养分,也相当关键。

除了器官打印,每年为了药物实验牺牲的动物高达1.2亿只,若生物打印组织可以大量、标准化生产,可以减少动物试验数量,也因使用的是人体组织,实验结果更接近现实。

而从法令规范的部分来说,医疗3D打印到底算不算医疗器材或药物?各国没有明确制定,只有美国尚在研议当中,目前实验皆仰赖医疗研究法规来进行。也因为生物打印高度定制化,如何标准化流程制定,在商业化之前还有很大的挑战。

预估在2025年,3D打印产值达70亿美元,而其中生物打印将占有五成之多。医疗3D打印解开了诸多人体奥秘,让医师在手术前就可以模拟病患体内情境、让体内外植入物可以定制化,以更贴近每位病人的需要。

虽然目前打印出能独立运作的器官仍有很大技术要突破,但取代部分器官移植、临床试验的光景指日可待。面对医疗市场、许多颠覆奇想的新发现,让我们从造福人群的角度来看见商机。

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