誰會想到3D打印會與醫(yī)療關(guān)系密切，本文整理了科學(xué)家發(fā)表的多篇研究報告，共同解讀3D打印是如何在人類研究疾病中發(fā)揮作用的
在一項發(fā)表于Advanced Materials雜志的研究中，貝勒醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)前用于疝氣修復(fù)軟組織網(wǎng)片極易引發(fā)炎癥和內(nèi)臟粘連，因此他們開發(fā)了一種用于軟組織修復(fù)與炎癥調(diào)節(jié)的新型生物材料網(wǎng)片。該生物網(wǎng)片是通過原位磷酸鹽交聯(lián)的聚乙烯醇聚合物的3D生物打印制成的。在大鼠腹疝模型中生物網(wǎng)片充當(dāng)炎癥陷阱并捕獲植入部位分泌的促炎細(xì)胞因子，有效調(diào)節(jié)局部炎癥，而無需外源性抗炎劑。該生物網(wǎng)片在抑制內(nèi)臟粘連形成和最小化術(shù)后并發(fā)癥方面非常有效。
疝氣是最常見的軟組織損傷之一。腹內(nèi)內(nèi)容物(如腸環(huán))通過腹壁薄弱、缺損或受傷部位擠壓時形成疝氣。這種情況可能會發(fā)展成嚴(yán)重的并發(fā)癥，因此需要行疝氣修補(bǔ)術(shù)。修復(fù)包括通過外科手術(shù)植入人工網(wǎng)片來支撐和加固受損的腹壁，促進(jìn)愈合過程。然而，目前使用的網(wǎng)片植入物與潛在的不良術(shù)后并發(fā)癥有關(guān)。貝勒醫(yī)學(xué)院外科助理教授，這項研究的主要作者Crystal Shin博士說：“雖然疝氣網(wǎng)植入物的機(jī)械強(qiáng)度很強(qiáng)，能夠支撐腹部組織，使患者一開始感覺很舒服，但手術(shù)后大約三天，植入物會引發(fā)炎癥，在兩到三周內(nèi)會影響附近的器官，這是一個常見的問題。”，Shin正在尋找解決術(shù)后疝氣并發(fā)癥的方法。
【2】Adv Funct Mat：科學(xué)家有望利用新型墨水3D打印出含有活細(xì)胞的骨組織!
近日，一篇發(fā)表在國際雜志Advanced Functional Materials上題為“Synthetic Bone‐Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprinting in Cell Suspensions”的研究報告中，來自新南威爾士大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們通過研究開發(fā)出了一種基于陶瓷的墨水，未來有望幫助外科醫(yī)生打印出能攜帶活細(xì)胞的3D骨骼部分，而這些活細(xì)胞能被用來修復(fù)損傷的骨組織。
文章中，研究人員使用了一種由磷酸鈣組成的特殊墨水的3D打印機(jī)進(jìn)行開發(fā)出了一種新技術(shù)—細(xì)胞懸浮液中的陶瓷全向生物打印技術(shù)(COBICS，ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions)，該技術(shù)能幫助他們打印出骨骼樣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在水中放置幾分鐘后就會被硬化。盡管3D打印仿骨結(jié)構(gòu)的想法并不新鮮，但這是研究人員首次在室溫下創(chuàng)建攜帶活細(xì)胞的材料。
【3】Bioprinting：3D打印用于創(chuàng)造心臟細(xì)胞
人類新生命的誕生起始于單個細(xì)胞，然后分裂并最終形成胚胎。根據(jù)它們相鄰細(xì)胞發(fā)送的信號，這些分裂的細(xì)胞隨后發(fā)育或分化為特定的組織或器官。在再生醫(yī)學(xué)中，控制細(xì)胞的分化至關(guān)重要，干細(xì)胞可以分化以允許器官的體外生長并替代受損的成年細(xì)胞，特別是復(fù)制能力非常有限的成年細(xì)胞，例如大腦或心臟。
科學(xué)家在分化干細(xì)胞時采用的一種常見方法是使用化學(xué)刺激。盡管這種方法對于制造一種單一類型的細(xì)胞非常有效，但它缺乏復(fù)制復(fù)雜生物體的能力，在生物體中，多種細(xì)胞類型共存并協(xié)同形成一個器官。另外，受細(xì)胞發(fā)育的自然過程啟發(fā)，另一種方法涉及將干細(xì)胞包裝成小的細(xì)胞聚集體或稱為胚狀體的球體。類似于真實的胚胎，類胚體中的細(xì)胞間相互作用是分化的主要驅(qū)動力。從這些胚狀體的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)諸如胚狀體的細(xì)胞數(shù)量，大小和球形度的參數(shù)影響所產(chǎn)生的細(xì)胞的類型。
【4】Sci Adv：3D打印技術(shù)有助于大腦膠質(zhì)瘤的研究
膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，尤其是快速生長的惡性腫瘤，其內(nèi)部組成十分復(fù)雜。即使采用激進(jìn)的治療手段(通常包括手術(shù)，放療和化療)，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤也難以得到完全清除，因此患者平均生存期僅有11至15個月。
近日，在Science Advance雜志上發(fā)表的研究中，倫斯勒大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授Xavier Intes等人展示了一種3D打印與高分辨率看成像相結(jié)合的研究手段，能夠有效地模擬人體內(nèi)部膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的發(fā)生情況。Intes加收說：“已知膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的構(gòu)成非常復(fù)雜，而且不同患者引人而異，因此，我們有必要了解膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的生物學(xué)特性和復(fù)雜性。”
【5】Cell Rep：3D打印大腦結(jié)構(gòu)揭示神經(jīng)回路結(jié)構(gòu)
在最近一項研究中，作者通過開發(fā)自動化的3D腦成像數(shù)據(jù)分析技術(shù)提供了對復(fù)雜神經(jīng)回路的空間組織的更可靠和標(biāo)準(zhǔn)化的分析。KAIST研究人員開發(fā)了一種用于大腦成像數(shù)據(jù)分析的新算法，該算法能夠?qū)?fù)雜的神經(jīng)回路精確定量地映射到標(biāo)準(zhǔn)化的3D模型上。
腦成像數(shù)據(jù)分析在神經(jīng)科學(xué)研究中必不可少。但是，獲得的大腦成像數(shù)據(jù)的分析在很大程度上取決于手動處理，這不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，一致性和可靠性。常規(guī)的腦成像數(shù)據(jù)分析通常從發(fā)現(xiàn)二維的腦圖像開始，該圖像在視覺上與實驗獲得的腦圖像相似。然后，將圖集圖像的感興趣區(qū)域(ROI)與獲得的圖像手動匹配，并計算ROI中標(biāo)記的神經(jīng)元的數(shù)量。
【6】Sci Rep：3D打印技術(shù)助理快速個性化治療
為什么同樣的治療對每個患者都不一樣?如何優(yōu)化藥物的性能而不會因劑量過大而引起副作用?為了回答這些問題，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)的研究人員設(shè)計了一種細(xì)胞共培養(yǎng)平臺，以3D形式復(fù)制患者的腫瘤結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們可以用它在腫瘤發(fā)展的不同階段測試多種藥物或藥物組合的有效性。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Scientific Reports雜志上。
結(jié)腸直腸癌是目前診斷出的第三種最常見的癌癥形式，也是世界上第四大致命癌癥類型。有一系列治療方法，包括化療，但高劑量的化療會引起許多副作用，而且患者通常會產(chǎn)生耐藥性。為了進(jìn)一步模仿腫瘤的發(fā)展過程以及精確衡量藥物的有效性，科學(xué)家們已經(jīng)建立了腫瘤3D培養(yǎng)模型。
【7】JCCT：3D打印有助于預(yù)測心臟瓣膜的泄漏
在美國，超過八分之一的75歲及以上的人在心臟中發(fā)生中度至重度的主動脈阻塞，通常是由于瓣膜小葉上積聚的鈣化沉積物造成的，并阻止它們完全打開和關(guān)閉。許多這些老年患者的健康狀況不足以進(jìn)行心臟直視手術(shù);相反，他們使用稱為經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)(TAVR)的手術(shù)將人工瓣膜植入其心臟，該手術(shù)通過插入主動脈的導(dǎo)管展開瓣膜。然而，這個過程存在挑戰(zhàn)，包括需要選擇完美尺寸的心臟瓣膜，而不是真正看病人的心臟：太小，瓣膜可能會在邊緣移動或泄漏;太大了，閥門可以撕裂心臟，帶來死亡的危險。因此，心臟病專家一直試圖尋找一種“恰到好處”的TAVR瓣膜尺寸。
哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員創(chuàng)造了一種新穎的3D打印工作流程，允許心臟病專家在實際執(zhí)行醫(yī)療程序之前評估不同瓣膜尺寸與每位患者獨特解剖結(jié)構(gòu)的相互作用。該協(xié)議使用CT掃描數(shù)據(jù)生成個體患者主動脈瓣的物理模型，此外還有“sizer”裝置以確定完美的替換瓣膜尺寸。這項工作是與布萊根婦女醫(yī)院，華盛頓大學(xué)，馬薩諸塞州綜合醫(yī)院和馬克斯普朗克膠體與界面研究所的研究人員和醫(yī)生合作完成的，并發(fā)表在Journal of Cardiovascular Computed Tomography雜志上。
【8】Cell System：3D打印技術(shù)改變篩選抗生素的方法
最近，來自麥克馬斯特大學(xué)實驗室開發(fā)的一個“小型黑盒子”可以改變科學(xué)家尋找新抗生素的方式。印刷熒光成像盒(簡稱PFIbox)能夠收集大量數(shù)據(jù)，這將有助于Michael G. DeGroote傳染病研究所的研究人員尋求發(fā)現(xiàn)新的抗生素。該盒子允許科學(xué)家一次分析超過6，000個細(xì)菌樣本。
從原理上來講，該工具使用LED燈激發(fā)細(xì)菌中的熒光蛋白。然后，它將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給研究人員，研究細(xì)胞隨時間對抗生素的反應(yīng)。PFIbox的九個結(jié)構(gòu)部件可以在大約一天內(nèi)進(jìn)行3D打印，在幾分鐘內(nèi)拼接在一起，成本約為200美元。
【9】Arch Toxicol：干細(xì)胞+3D打印 可用于肝臟移植
來自愛丁堡大學(xué)醫(yī)學(xué)研究委員會(MRC)再生醫(yī)學(xué)中心的科學(xué)家結(jié)合干細(xì)胞技術(shù)與3D打印技術(shù)，成功培育出了人源3D肝臟組織，并且在小鼠水平顯示出治療的潛力。科學(xué)家表示，除了為開發(fā)人體肝臟組織植入物方面進(jìn)行早期的探索，這一研究還可以通過搭建平臺來研究人類肝臟疾病以及實驗室中的測試藥物的藥效，從而減少對動物研究的需求。
在這項發(fā)表在Archives of Toxicology雜志上的研究中，科學(xué)家們采集了人類胚胎干細(xì)胞并誘導(dǎo)形成多能干細(xì)胞(已被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉?xì)胞的成體細(xì)胞)，通過定向誘導(dǎo)形成為肝細(xì)胞。負(fù)責(zé)這項研究的愛丁堡大學(xué)MRC再生醫(yī)學(xué)中心的David Hay教授說：“這是有史以來第一次有人在實驗室中將干細(xì)胞來源的肝組織體外培育一年多的時間。細(xì)胞長時間存活和穩(wěn)定是非常困難的，但對于在人體中使用則至關(guān)重要。“
【10】Adv Materials：3D打印生物工程化血管研究新突破
最近來自BWH的研究者們開發(fā)出了一種新型的維管結(jié)構(gòu)制備方法，能夠得到更符合生理要求的血管。這種3D打印技術(shù)能夠精細(xì)模仿組織的生理特性，例如細(xì)胞的成熟以及能否運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)等。這一技術(shù)將能夠被用于進(jìn)行受損組織的置換。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近一期的Advanced Materials雜志上。
許多疾病都會造成管道組織的損傷，例如動脈炎、動脈粥樣硬化以及血栓等。此外，泌尿組織也會因為炎癥反應(yīng)產(chǎn)生損傷。為了制備3D組織材料，研究者們將人體細(xì)胞與水溶膠進(jìn)行混合，水溶膠的化學(xué)性質(zhì)經(jīng)過了反復(fù)的摸索，使其能夠允許細(xì)胞的增殖。之后，研究者們將這些混合好的材料注入管道組織3D打印系統(tǒng)，并且通過程序設(shè)置使其能夠連續(xù)打印三層。當(dāng)管道打印完畢之后，研究者們經(jīng)過其它方法驗證了其能夠允許營養(yǎng)物質(zhì)穿透的特性。
不可否認(rèn)，3D打印將會在未來醫(yī)療中占據(jù)著不可磨滅的作用，醫(yī)療人員將會利用它給人們帶來更多的福祉。
