【高端演講】密歇根大學(xué)Peter X.Ma：3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

【導(dǎo)讀】 在6月下旬,，世界3d打印大會(huì)在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的報(bào)道,，詳情請(qǐng)看南極熊報(bào)道,。南極熊作為一個(gè)3d打印的專業(yè)媒體平臺(tái)，一直致力于推動(dòng)中國(guó)3D打印行業(yè)的發(fā)展,。希望下面的一些內(nèi)容對(duì)大家有所啟發(fā),。



張人佶：我們現(xiàn)在開始，今天我們分會(huì)場(chǎng)的主題是3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,。我們首先有一位演講嘉賓Peter X.Ma,，他來(lái)自美國(guó)密歇根大學(xué)，我們歡迎Peter X.Ma先生,。   

    Peter X.Ma：非常感謝組委會(huì)邀請(qǐng)我來(lái)做這個(gè)報(bào)告,，我是密歇根大學(xué)的教授，同時(shí)在口腔學(xué)院,、工學(xué)院的教授,，也就是生物工程高分子科學(xué)及材料科學(xué)的教授。

    一開始簡(jiǎn)單介紹一下密歇根大學(xué),，大家知道密歇根大學(xué)是知道這個(gè)人,，這是菲爾普斯，是密歇根大學(xué)的學(xué)生,。最近是有冰上滑冰的冠軍,。密歇根最有名的是這個(gè)大的橄欖球場(chǎng),，每一個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)人，這里面有11萬(wàn)人可以同時(shí)坐下來(lái)觀看,，也出了很多著名的球員,，第一個(gè)我想舉例子的是福特總統(tǒng)，當(dāng)時(shí)也是密歇根的球員,。還有些別的著名的,，比如說最近的美國(guó)小姐，也是密歇根畢業(yè)的,，所以這個(gè)學(xué)校是一個(gè)很全面的學(xué)校,。

    同時(shí)再說一下科學(xué)，密歇根也是一個(gè)很好的學(xué)校,，這么多諾貝爾獎(jiǎng)得主,，其中有一個(gè)中國(guó)人，叫做丁肇中,，是從密歇根畢業(yè)的,，現(xiàn)在在麻省理工做教授,。

    開始講之前我想首先感謝一下我自己實(shí)驗(yàn)室的情況,，這是博士后，這是博士生,，這是一些碩士和本科生,，這有一些既是學(xué)醫(yī)又是學(xué)工程的雙博士，還有單純學(xué)醫(yī)的人在組里面,。這是過去的一些人,，從我組里畢業(yè)的一些人，現(xiàn)在有二三十人在當(dāng)教授,，在美國(guó),、巴西、中國(guó),、韓國(guó)等等,，不一一介紹了。還有合作的人,，也有美國(guó)的,，也有德國(guó)的、中國(guó)的合作人,，我就快速跳過去,。

    我在西安交通大學(xué)有一個(gè)點(diǎn)，成立了一個(gè)中心,，叫做生物工程與再生醫(yī)學(xué)中心,。在這里面有五個(gè)教授，包括我自己也是，再下面就是一些博士生和碩博直讀的研究生,，這是一批人在那做研究,。

    我想一開始簡(jiǎn)單說一下為什么要做我們這個(gè)事，最主要的問題是組織的缺損和壞死等等造成很大的問題,，對(duì)于病人來(lái)說,。比如說每年在美國(guó)有800萬(wàn)手術(shù)來(lái)解決這些問題，組織修復(fù)等等,，折合經(jīng)費(fèi)是4000億美金,，這是很大的數(shù)字。我在這舉一個(gè)數(shù)字,，這個(gè)400被87一除就是4.6,，87是當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)會(huì)通過容許布什總統(tǒng)開戰(zhàn)打伊拉克和阿富汗的經(jīng)費(fèi)，你們算一下可以打多少個(gè)國(guó)家,，這是很大的一筆經(jīng)費(fèi),。

    這是目前的狀況，怎么解決這個(gè)問題呢,？第一個(gè)是你在60年代的時(shí)候,，上世紀(jì)60年代的時(shí)候，人們發(fā)明了這種辦法抑制你的免疫系統(tǒng),，可以給你移植別人的器官進(jìn)到你體內(nèi),，只要不被排斥就可以活下來(lái)。但是最大的問題是沒有那么多人捐獻(xiàn)器官,，比如說肝臟,，90的人在等，很多人死在等的過程中,。還有的就是給你用手術(shù)的辦法重建,，比如說在你身上，耳朵失去了,，拿幾條肋骨下來(lái)修成一個(gè)耳朵的形狀放進(jìn)去,，這樣也可以解決一些問題，但是少了幾根肋骨,，摔倒的時(shí)候少了幾根保護(hù)心臟的肋骨,，也是一個(gè)問題。解決一個(gè)問題制造另外一個(gè)問題,，也不是很好的解決辦法,。在牙科和口腔里面，他們用大量的替代物,，就是一些死的材料,，用到人體上,。這也有很多問題，在牙科還過得去,，比如說一腿斷了,，用合晶管子放進(jìn)去，小孩一直在長(zhǎng),，但是合晶不長(zhǎng),，過一段時(shí)間又得換一次。

    總之,，因?yàn)檫@些現(xiàn)有的技術(shù)不能解決醫(yī)療上真正的需要,，只能解決很少一部分，就有這么幾個(gè)大人物,，他們提出想法,，這是他們發(fā)表的報(bào)告，把細(xì)胞和材料混合在一起,，材料可以講解,，材料講解之后就生成了組織。就是在這一年我被他們雇去做博士后,，也是他們倆的協(xié)調(diào)人,，所以我在哈佛和MIT兩邊跑，一邊花三天時(shí)間,，一邊花兩天時(shí)間,。當(dāng)時(shí)就想證明,，比如說用軟骨細(xì)胞放在材料上最后轉(zhuǎn)成軟骨,，骨細(xì)胞放在材料上就長(zhǎng)成骨頭等等，這些想法當(dāng)時(shí)都陸續(xù)得到了一些證明,。我當(dāng)時(shí)做了一個(gè)機(jī)器,，用這個(gè)機(jī)器可以做出一些纖維來(lái)，這些縣委的尺寸15微米左右,，這么一個(gè)亂七八糟的纖維,，但是細(xì)胞可以長(zhǎng)進(jìn)去。細(xì)節(jié)我就不講了,。

    證明可以用這個(gè)材料和細(xì)胞混在一起長(zhǎng)成各種各樣的,，所以我們做了很多文章，有很多的合作人當(dāng)時(shí)在做這件事情,。

    但是有一個(gè)問題,，比如說你要給別人找軟骨的時(shí)候，首先把他的軟骨細(xì)胞拿下來(lái),，這是一個(gè)很痛苦的事情,，你把他的膝蓋打開,，這是不可行的。后來(lái)就用到干細(xì)胞,，它可以長(zhǎng)成任何的組織和器官,，可以分化到各個(gè)方向去，這個(gè)是非常激動(dòng)人心的事情,。具體我就不去解釋干細(xì)胞了,，但是干細(xì)胞是最近的時(shí)期了，比如說是第一個(gè)胎盤干細(xì)胞,，做出來(lái)這個(gè)細(xì)胞是1981年,，這是老鼠身上做的。到人的干細(xì)胞就到1998年了,，沒多少年的事情,，所以人對(duì)細(xì)胞了解的程度很淺。胎盤干細(xì)胞有很多問題,，人們用IPS把它變成干細(xì)胞,，這樣也可以解決問題。但是很激動(dòng)人心的事情是這種細(xì)胞可以變成人體任意的細(xì)胞,，但是它最大的問題是什么呢,？最大的問題就是可以變成任何的細(xì)胞，不一定是變成你想要的細(xì)胞,。比如說你要長(zhǎng)骨頭,，它可能長(zhǎng)出來(lái)亂七八糟的，有皮膚,，有肝,，所以就有很多問題。

    我們的想法就是怎么用這個(gè)材料來(lái)指導(dǎo)它變成你想要的這種組織,，材料和干細(xì)胞結(jié)合起來(lái),，設(shè)計(jì)這種微環(huán)境來(lái)控制它的生長(zhǎng)。第一步首先是材料,，當(dāng)時(shí)也沒有什么想法,，我當(dāng)時(shí)的想法是模仿人體，人體體內(nèi)有一種膠原,，現(xiàn)在大家都在用,，膠原到處都有。怎么去做這種東西,？我們想用合成的材料去做,，當(dāng)時(shí)我就有個(gè)想法，告訴了我當(dāng)時(shí)唯一的一個(gè)博士后,，當(dāng)時(shí)組里面就有一個(gè)人,。我就說我看到膠原是這樣一種線性的分子,，細(xì)胞分泌出來(lái)以后它就自組裝起來(lái)，就形成一種纖維的結(jié)構(gòu),，然后進(jìn)一步組裝形成纖維,。用線性高分子是不是在某種情況下可以讓它們自己組裝起來(lái)，這個(gè)最后成功了,，可以把高分子放在一定的溶液里面,，現(xiàn)在覺得很簡(jiǎn)單，但是當(dāng)時(shí)想都不敢想這個(gè)事,。

    但是它沒有孔,，孔非常小，細(xì)胞進(jìn)不去,，想讓細(xì)胞進(jìn)去,，當(dāng)時(shí)第二步的工作就是怎么把孔做出來(lái)。大家知道在生物領(lǐng)域里做的激動(dòng)人心的事情是怎么把基因消除,，把基因塞進(jìn)去,。學(xué)生物學(xué)的說你就在才倆上打孔，這有什么學(xué)問,？但是這還是有很多學(xué)問,，要打很小的孔是不容易的事情。當(dāng)時(shí)我們沒什么錢,，去買了一些糖,，把它融了以后拉成絲，排起來(lái),，拉成絲,，用鑷子一根一根擺好，最后把復(fù)合物扔到水里面去,，就變成這種多孔的結(jié)構(gòu),。大家現(xiàn)在用3D打印做這種結(jié)構(gòu),，我們當(dāng)時(shí)用這個(gè),。我們說這個(gè)結(jié)構(gòu)叫自組裝，是它自己組裝的,。

    后來(lái)它就變得等能耐了,，各種角度，垂直的,、45度的,，可以變成各種各樣的取向。但是細(xì)微的結(jié)構(gòu)在這個(gè)表面上還是納米級(jí)的纖維,。后來(lái)我們又想了一個(gè)辦法,，做小球,，把這些小球溶解掉之后就得到了孔，這種孔也可以結(jié)合在一起,，表面上就有這種納米結(jié)構(gòu),，在小倍數(shù)的時(shí)候可以看到大孔。

    后來(lái)再招一個(gè)學(xué)生進(jìn)來(lái)之后想到用計(jì)算機(jī)打印,，做更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。這時(shí)候買了一個(gè)儀器，一層一層打,，也是打出一個(gè)模具來(lái),，就得到了這種多孔的材料，可以既是多孔的,，又是大孔狀的結(jié)構(gòu),。同時(shí)可以設(shè)計(jì)人體的器官了，因?yàn)樗�是用�?jì)算機(jī)設(shè)計(jì),，可以把人體一掃描,，得到他的骨頭結(jié)構(gòu)，哪有缺陷,，把缺陷的地方拿出來(lái),，設(shè)計(jì)3D打印打出來(lái)這種結(jié)構(gòu)，里面要打出孔來(lái),，把納米和微米宏觀的結(jié)構(gòu)一次做出來(lái),。這個(gè)既可以做一些骨頭的結(jié)構(gòu)，也可以做一些軟骨的結(jié)構(gòu),，像這個(gè)例子是做耳朵,，直接打印，不用從肋骨上拿一個(gè)東西再去修,，這樣可能就會(huì)對(duì)病人快一點(diǎn),，少了些痛苦。這個(gè)時(shí)候就證明它可以長(zhǎng)出骨頭來(lái)等等,，細(xì)節(jié)我就不講了,，因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系。后來(lái)發(fā)現(xiàn)它為什么長(zhǎng)骨頭,，選擇性的吸收了一些蛋白,，這種蛋白促進(jìn)了細(xì)胞的生長(zhǎng)，細(xì)胞具有不同的形貌,，就導(dǎo)致了基因表達(dá)的變化,。這個(gè)細(xì)節(jié)也不講了，有發(fā)表的東西,，時(shí)間關(guān)系就跳過去了,。后來(lái)用這個(gè)東西去控制干細(xì)胞分化,，就可以把干細(xì)胞變成骨頭細(xì)胞，在這材料上長(zhǎng),。

    再舉一個(gè)例子,，像骨質(zhì)疏松，有一種藥叫PTH,，這種東西可以減緩這個(gè)情況,，先給你打一針，要打好長(zhǎng)時(shí)間,。病人是不太喜歡這個(gè)事情,，每天打一針很不方便。我們?cè)谙胍粋�(gè)辦法,，做一種表面降解的東西,，里面打印一層一層的，這一層一層降解之后就變成一個(gè)藥物,，這樣就可以放在皮下,，就代替這個(gè)了，不需要每天去打一針�,，F(xiàn)在我們也用這種東西做再生,。

    最后結(jié)束的時(shí)候我想快速說一下我們最近的發(fā)展是做了一些小球，它有這種結(jié)構(gòu),，它是一個(gè)微米的小球,，但是它表面上是納米的纖維結(jié)構(gòu)，但是這樣的結(jié)構(gòu)可以注射到體內(nèi),。它里面又是空心的,，里面外面都可以長(zhǎng)細(xì)胞，這樣長(zhǎng)出來(lái)的軟骨細(xì)胞就非常好,，達(dá)到了和正常軟骨一樣的力學(xué)性能,。這是在兔子里面做的，現(xiàn)在我們做更大的動(dòng)物,，想應(yīng)用到人體上來(lái),。這是一些項(xiàng)目，這是現(xiàn)在的項(xiàng)目,，主要是NAH,，也有DOD、NSF等等公司在支持我們做這些事情,。

    感謝大家，因?yàn)檫@個(gè)機(jī)器的問題我可能花的時(shí)間比別人多了,，表示抱歉,。這是我發(fā)表的一些書,，大家有興趣可以看看。謝謝,。

    肝臟可能是比較難的一個(gè)器臟,，現(xiàn)在短期內(nèi)不好說，但是也是有希望,，很多人在做這個(gè),，包括我的合作者在德國(guó)，他是醫(yī)生,，他有一個(gè)團(tuán)隊(duì)做這個(gè)事情,。包括美國(guó)的合作者也在做這個(gè)事情。我也不敢說不能實(shí)現(xiàn),，但是這個(gè)可能要花很多時(shí)間,，總之是一些不容易的事情。

    骨頭看起來(lái)能實(shí)現(xiàn),，但實(shí)際上并不一定完全能實(shí)現(xiàn),，真正用到骨頭或者軟骨，我們現(xiàn)在做到小動(dòng)物和大動(dòng)物,，前面也有一些人做過人體的,，但是真正說徹底修復(fù)，還沒有達(dá)到,，在人體上也只是達(dá)到了一種纖維性的軟骨,，它不是純粹的軟骨。我們希望用小球達(dá)到這個(gè)程度,，因?yàn)槲覀冊(cè)谕米由砩贤耆�達(dá)到了,，一個(gè)非常正常的軟骨，想下一步解決這個(gè)問題,，現(xiàn)在做大動(dòng)物,，做豬和狗的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

    我想骨和軟骨這類結(jié)構(gòu)性的材料,，現(xiàn)在已經(jīng)到了實(shí)現(xiàn)的邊緣,，因?yàn)檫@種東西要說一個(gè)很準(zhǔn)確的時(shí)間是很難的，但是應(yīng)該說是在近些年的事情,，已經(jīng)有很多地方在做人體實(shí)驗(yàn)了,，所以大量的開始做了。應(yīng)該說3D在組織工程上的應(yīng)用還是挺大,。

    那就這樣,，謝謝大家。