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生物3D打印时代渐近 七大超级技术解析

2016-02-26 09:38
科技那回事
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  3.以生物墨水为原料的打印

  什么是3D生物打印

3D生物打印机

  所谓的3D生物打印,指的是一种以计算机三维模型为基础,通过软件分层离散和数控成型的方法,定位装配生物材料或活细胞,制造人工植入支架、组织器官和医疗辅助等生物医学产品的3D打印技术

  3D生物打印的最终目的是为了解决移植器官来源有限的问题,因为在现有的医疗手段中,一个器官的获取要以另一个器官的丧失为前提,而主动失去器官的数量又远远少于需要的器官,例如,中国每年需要肝脏移植的末期肝病患者有100万左右,其中,只有3000到4000人接受了移植手术,而每年需要透析的12万例病人中,只有1/20可以找到肾源,愿意捐献器官的人数是少之又少。因此,研究者们开发了很多替代方案,使用动物来源的器官或者人工制造的器官胃病患者服务。3D生物打印机的出现,有可能解决这个方面的问题,从而延续病人的生命,提高他们的生活质量。

  3D生物打印机的原料为生物墨水

  3D生物打印机的原料为生物墨水,研究者从人体骨髓或者脂肪中提取干细胞,通过生物化学手段,使它们分化成不同类型的其他细胞,然后,这些细胞将被封存成“墨粉”,当启动3D生物打印机时,“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上,打印器官的雏形便逐渐显现。

  俄罗斯3DBioprintingSolution公司的FABION3D生物打印机

  3D生物打印机的开发其实还是基于现有的打印技术,这些技术曾被用于制造工业零部件,而3D生物打印机的不同之处在于,它使用了生物材料,可以复合细胞、生长因子等活性成分,从而逐层构件活体组织。世界上第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来,2010年被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

  4. 3D生物打印的技术原理

  3D生物打印技术目前还处于开发的初级阶段,通过电脑建模程序来设计需要打印的器官剖面图,从而精准指导随后的打印过程。研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取的干细胞,或不同的活性因子,通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印一层,就会提升一个层高的刻度,继而开始下一层图案的打印,从而逐渐实现人造组织的成型,跟普通3D打印在工业应用中的模型制造过程类似。

  3D生物打印技术的过程(图源:genetics.ac.cn)

  3D生物打印机可以被置于生物安全柜中,可进行无菌操作,打印后的组织可以直接被植入患者体内,以被置于生物安全柜中,可进行各种无菌操作。打印后的组织可直接被植入患者体内,其中的细胞在生长因子的调控下,重新组合、分化,最终形成新的组织和器官。以皮肤打印过程为例,一般需要经过皮肤样品三维建模、形成脂肪原型、3D打印皮肤样品三个步骤才能完成。

  3D打印皮肤的步骤(简图)

  从理论上讲,3D生物打印机可以使用CT等扫描技术,得到患者身体的各个部位精确图像数据,并在随后的短时间内打印出相应的组织,由于这些结构来源于病人的身体扫描,因此,打印后的植入物完全可以模拟原有的器官,顺利地进行替换,从而减轻了植入过程对患者的身体带来的负担。

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