環(huán)球科普：體內(nèi)3D打印技術(shù)或可治療胃潰瘍

圖片來源：Wenxiang Zhao
全世界范圍內(nèi)，平均每八個人之中就有一人患有胃潰瘍或其他胃部損傷的病癥。由于常規(guī)的傳統(tǒng)療法有其弊端，如今科學家們想要通過探索3D打印技術(shù)，使得直接在人體內(nèi)部構(gòu)建活細胞成為可能，從而更好地治療此類疾病。
就像 3D 打印機通過層疊材料來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框架一樣，生物打印機會通過堆疊活細胞來生成組織和器官。生物打印技術(shù)的長期目標之一是向處在接受器官捐贈等待名單上的人們提供生物打印的器官。非營利性的器官共享聯(lián)合網(wǎng)顯示，僅在美國，就有近70000人處在等待名單上。然而，以這種方式生成功能性器官，如心臟或者腎臟的能力可能需要數(shù)年才能實現(xiàn)，更為現(xiàn)實的近期目標是通過生物印刷得到較為簡單的結(jié)構(gòu)，例如骨移植物。另一方面，在體外打印的活組織仍需要通過手術(shù)植入，該手術(shù)通常涉及較大的切口，這會增加感染的風險并且延長恢復(fù)的時間。
但如果醫(yī)生可以直接在體內(nèi)打印細胞呢？通過使用當前的微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)，經(jīng)由小切口將 3D 打印工具插入患者體內(nèi)，然后打印工具即可打印新的組織。


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這種“體內(nèi)生物打印”的潛在應(yīng)用包括通過植入手術(shù)網(wǎng)來幫助治療疝氣以及修補卵巢從而治療不孕癥。先前有關(guān)體內(nèi)生物打印的許多研究都集中在皮膚和身體外部的其他組織的治療上。因為所需的設(shè)備通常太大，在不進行較大型手術(shù)的情況下，無法到達消化道和其他位于體內(nèi)的器官。為了減少治療胃部病變導致的創(chuàng)傷，中國的科學家們希望開發(fā)一種可以相對輕松地進入人體的微型生物打印機器人。該研究領(lǐng)域的資深研究員，北京清華大學生物工程師徐濤表示：研究人員們利用現(xiàn)有的技術(shù)，創(chuàng)建了靈巧的電子設(shè)備，例如機械蜜蜂和由蟑螂啟發(fā)的機器人。
這些微型機器人只有30毫米寬，不到信用卡寬度的一半，并且可以折疊到43 毫米的長度。一旦進入患者體內(nèi)，他就會展開到59毫米長并開始進行生物打印。俄亥俄州立大學的機械工程師 David Hoelzle 說：“該團隊構(gòu)建了巧妙的機制，使系統(tǒng)能夠結(jié)構(gòu)緊湊地進入人體，而一旦通過了狹窄的入口系統(tǒng)便會伸展開來，從而提供較大的工作區(qū)域。”


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在他們的實驗中，中國的研究人員們將微型機器人安裝到了內(nèi)窺鏡上，成功地將其彎曲，并通過了一根彎管進入到透明的胃塑料模型內(nèi)部。在模型中，他們用機器人在實驗培養(yǎng)皿上打印含有在商業(yè)實驗室培養(yǎng)的人胃壁和胃肌細胞的凝膠。打印出來的細胞在10天內(nèi)保持了活性和穩(wěn)定增殖的能力。徐說：“該研究是將微型機器人和生物打印結(jié)合在一起的首次嘗試?！?br> 研究人員說，主流的胃部病變治療方法包括藥物治療和內(nèi)窺鏡手術(shù)。藥物的作用緩慢，而且并不總是有效。內(nèi)窺鏡手術(shù)只能修補較小的傷口，由內(nèi)窺鏡輸送的噴霧劑可止血，但對較大的傷口幾乎沒有幫助。徐說，體內(nèi)生物打印的愿景是，通過在胃部病變部位修補適宜的活體結(jié)構(gòu)，最終幫助改善這些主流的治療方法。徐補充表示，未來的研究可能會將微型機器人的寬度縮小到12毫米，并為其配備攝像頭和其他傳感器，以幫助其執(zhí)行更復(fù)雜的操作。他和主要研究員，清華大學的趙文祥于今年夏天在Biofabrication上發(fā)表了他們的研究。
徐和他的同事注意到，他們用做生物印記墨水的凝膠只有在相對涼爽時才穩(wěn)定。在正常的體溫下，它們過于液態(tài)化而不能很好地形成結(jié)構(gòu)。此外，研究人員添加的幫助固化凝膠的氯化鈣溶液可能會損害人體。Hoelzle 和他的同事最近獨立開發(fā)的另一種凝膠有望解決這些問題，它可以在體溫下保持其形狀，并可以由可見光進行固化。
生物打印的挑戰(zhàn)之一是如何有效地將打印的細胞附著到現(xiàn)有的軟器官和組織上。Hoelzle 和他的同事通過在質(zhì)地相似的材料（例如未加工的雞胸肉條）上修復(fù)刺孔來測試一種潛在的解決方案。首先，3D 打印機的噴嘴將一小塊生物墨水擠壓到穿刺處，形成一個可以將刺穿的組織連接到生物打印結(jié)構(gòu)上的錨點。然后他們慢慢地撤回噴嘴，后方緊跟的材料可以用來在組織外部打印更多的細胞。
“這項工作很有啟發(fā)性，”徐說。他補充說，利用這些方法將有助于體內(nèi)生物打印技術(shù)的進一步發(fā)展。Hoelzle認為，這項技術(shù)可能永遠無法打印復(fù)雜的器官。然而，通過在標準手術(shù)中增加相對適度的可以釋放藥物以促進愈合或預(yù)防感染的印刷結(jié)構(gòu)可能會有所幫助。Hoelzle 說：“組織工程材料有很多發(fā)展機會沒被人認識到，畢竟沒有人想要切開病人來進行治療?！?br>


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