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科学家使用3D打印技术研发可植入体内的人工肾

2016-02-22 09:01
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  日前,来自范德堡大学(Vanderbilt University)医疗中心的肾病专家William H. Fissell IV副教授及其团队使用3D打印技术开发出了一种可植入的人工肾脏,从而为那些肾功能出现问题必需依靠透析、甚至需要肾移植才能够活下来的患者们带来了新的希望。研究人员们称该设备有望在一年之内进行人体实验。

  肾脏可谓是人体内最为“辛苦”的器官之一了,它日夜不停地为人体清洁血液和处理废物。这两个形状像蚕豆、拳头大小的器官每天会过滤150公升的血液并产生1-2公升的尿液。可以想见,这个器官一旦失效,将直接危及人的生命。而器官移植则是治疗肾衰竭最好的治疗方案。

  据统计,仅在美国,就有超过46万人患有晚期肾病,排队等待肾移植手术的患者名单人数超过10万人,但是2015年仅有17108人接受了肾移植手术。每一天,就有13人还没有等到肾移植供体就已经死去。

  如今Fissell教授及其团队的发明有可能结束这一让人悲哀而无奈的场景。他说:“我们正在打造一个可以模拟肾脏功能的生物混合装置,该装置能够清除足够的人体废物、盐和水,使病人无需再做透析。”

  科学家们的目标是使这一装置足够小——目前它就像苏打水罐那么大——以便于将其置入患者的身体。这个植入式人工肾包括微芯片过滤器和活的肾细胞,而且将由病人自己的心脏来提供动力。

  据了解,该微芯片采用了与微电子行业在电脑上使用的硅纳米技术。Fissell教授表示,这种芯片价格便宜、精确,很适合制作过滤器,每个装置都使用了大约15个微芯片。

  在每个芯片过滤器上都包含着许多孔,每个孔都作为一个支架支撑着一个活体肾细胞的膜,该装置就是依靠这些肾细胞来模拟肾脏的自然功能。研究团队对该过滤器上的每个孔都有相应的功能设计。

  Fissell教授说,幸运的是,这些细胞在实验室培养皿中生长良好。他们可以创建出一个肾细胞膜来找出那些代谢后停留在血液中的化合物,并将其作为废物转移到尿液中。通过这种方式,Fissell教授补充说:“我们可以利用大自然经过6000万年进化的成果,在人工肾脏的内部创造一个活细胞组成的生物反应器。”

  尤为重要的是,该装置不需要专门的动力源,它的动力来自于病人的心脏——在血管中血液流动产生的自然压力——来推动血液通过过滤器。

  然而,这一特点也提出了一个挑战:如何微调流体动力学,使血液流经该装置不会产生凝块。Amanda Buck博士是一位对流体力学感兴趣的生物医学工程师,他在该项目中负责这一块。

  Buck博士使用计算机模型来改进设备内部通道的形状以实现平稳的血流。然后,在3D打印技术的帮助下,研究团队得以一个原型,并对其进行测试,看它是如何顺利地让血液通过它。

  Fssell教授说,由于这是一种生物混合装置,不会激发人体的免疫反应,因此不太可能会发生器官移植中常见的排斥反应。

  Fssell教授称,这个肾项目从十几年前就开始了。在2003年,它就获得了来自美国国立卫生研究院(NIH)的第一笔研究拨款。而在近期。NIH又拨付了一笔600万美元、为期4年的研究补助金给予Fissell教授和他的研究伙伴及长期合作者——来自加州大学旧金山分校的huvo Roy。

  该团队希望能够到2017年底之前进行硅过滤器试验。Fissell教授说他有一长串的患者渴望参与这项实验。在2012年,美国食品和药物管理局(FDA)通过了该项目的快速审批通道申请。

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