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

【導讀】 在6月下旬，世界3d打印大會在青島舉行,。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進行了大量的報道,，詳情請看南極熊報道。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺,，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展,。希望下面的一些內(nèi)容對大家有所啟發(fā)。



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

    Peter X.Ma：非常感謝組委會邀請我來做這個報告，我是密歇根大學的教授,，同時在口腔學院,、工學院的教授，也就是生物工程高分子科學及材料科學的教授,。

    一開始簡單介紹一下密歇根大學,，大家知道密歇根大學是知道這個人，這是菲爾普斯,，是密歇根大學的學生,。最近是有冰上滑冰的冠軍。密歇根最有名的是這個大的橄欖球場,，每一個點就是一個人,，這里面有11萬人可以同時坐下來觀看，也出了很多著名的球員,，第一個我想舉例子的是福特總統(tǒng),，當時也是密歇根的球員。還有些別的著名的,，比如說最近的美國小姐,，也是密歇根畢業(yè)的，所以這個學校是一個很全面的學校,。

    同時再說一下科學,，密歇根也是一個很好的學校，這么多諾貝爾獎得主,，其中有一個中國人,，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驗室的情況，這是博士后,，這是博士生,，這是一些碩士和本科生，這有一些既是學醫(yī)又是學工程的雙博士,，還有單純學醫(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)在有二三十人在當教授,，在美國、巴西,、中國,、韓國等等,，不一一介紹了。還有合作的人,，也有美國的,，也有德國的、中國的合作人,，我就快速跳過去,。

    我在西安交通大學有一個點，成立了一個中心,，叫做生物工程與再生醫(yī)學中心,。在這里面有五個教授，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。

    我想一開始簡單說一下為什么要做我們這個事,，最主要的問題是組織的缺損和壞死等等造成很大的問題,，對于病人來說。比如說每年在美國有800萬手術(shù)來解決這些問題,，組織修復等等,，折合經(jīng)費是4000億美金，這是很大的數(shù)字,。我在這舉一個數(shù)字,，這個400被87一除就是4.6，87是當時美國國會通過容許布什總統(tǒng)開戰(zhàn)打伊拉克和阿富汗的經(jīng)費,，你們算一下可以打多少個國家,，這是很大的一筆經(jīng)費。

    這是目前的狀況,，怎么解決這個問題呢,？第一個是你在60年代的時候，上世紀60年代的時候,，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到你體內(nèi)，只要不被排斥就可以活下來,。但是最大的問題是沒有那么多人捐獻器官,，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,，拿幾條肋骨下來修成一個耳朵的形狀放進去,，這樣也可以解決一些問題，但是少了幾根肋骨,，摔倒的時候少了幾根保護心臟的肋骨，也是一個問題,。解決一個問題制造另外一個問題,，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,，用合晶管子放進去,，小孩一直在長，但是合晶不長,，過一段時間又得換一次,。

    總之，因為這些現(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,，就有這么幾個大人物，他們提出想法,，這是他們發(fā)表的報告,，把細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,，一邊花三天時間，一邊花兩天時間,。當時就想證明,，比如說用軟骨細胞放在材料上最后轉(zhuǎn)成軟骨，骨細胞放在材料上就長成骨頭等等,，這些想法當時都陸續(xù)得到了一些證明,。我當時做了一個機器，用這個機器可以做出一些纖維來，這些縣委的尺寸15微米左右,，這么一個亂七八糟的纖維,，但是細胞可以長進去。細節(jié)我就不講了,。

    證明可以用這個材料和細胞混在一起長成各種各樣的,，所以我們做了很多文章，有很多的合作人當時在做這件事情,。

    但是有一個問題,，比如說你要給別人找軟骨的時候，首先把他的軟骨細胞拿下來,，這是一個很痛苦的事情,，你把他的膝蓋打開，這是不可行的,。后來就用到干細胞,，它可以長成任何的組織和器官，可以分化到各個方向去,，這個是非常激動人心的事情,。具體我就不去解釋干細胞了，但是干細胞是最近的時期了,，比如說是第一個胎盤干細胞,，做出來這個細胞是1981年，這是老鼠身上做的,。到人的干細胞就到1998年了,，沒多少年的事情，所以人對細胞了解的程度很淺,。胎盤干細胞有很多問題,，人們用IPS把它變成干細胞，這樣也可以解決問題,。但是很激動人心的事情是這種細胞可以變成人體任意的細胞,，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胞,，不一定是變成你想要的細胞,。比如說你要長骨頭，它可能長出來亂七八糟的,，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材料來指導它變成你想要的這種組織,，材料和干細胞結(jié)合起來,，設(shè)計這種微環(huán)境來控制它的生長。第一步首先是材料,，當時也沒有什么想法,，我當時的想法是模仿人體，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,，當時我就有個想法，告訴了我當時唯一的一個博士后,，當時組里面就有一個人。我就說我看到膠原是這樣一種線性的分子,，細胞分泌出來以后它就自組裝起來,，就形成一種纖維的結(jié)構(gòu)，然后進一步組裝形成纖維,。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,，這個最后成功了，可以把高分子放在一定的溶液里面,，現(xiàn)在覺得很簡單,，但是當時想都不敢想這個事。

    但是它沒有孔,，孔非常小,，細胞進不去，想讓細胞進去,，當時第二步的工作就是怎么把孔做出來,。大家知道在生物領(lǐng)域里做的激動人心的事情是怎么把基因消除，把基因塞進去,。學生物學的說你就在才倆上打孔,，這有什么學問？但是這還是有很多學問,，要打很小的孔是不容易的事情,。當時我們沒什么錢，去買了一些糖,，把它融了以后拉成絲,，排起來，拉成絲,，用鑷子一根一根擺好,，最后把復合物扔到水里面去,，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),，我們當時用這個,。我們說這個結(jié)構(gòu)叫自組裝，是它自己組裝的,。

    后來它就變得等能耐了,，各種角度，垂直的,、45度的,，可以變成各種各樣的取向。但是細微的結(jié)構(gòu)在這個表面上還是納米級的纖維,。后來我們又想了一個辦法,，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)的時候可以看到大孔,。

    后來再招一個學生進來之后想到用計算機打印,，做更復雜的結(jié)構(gòu)。這時候買了一個儀器,，一層一層打,，也是打出一個模具來，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)。同時可以設(shè)計人體的器官了,，因為它是用計算機設(shè)計,，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，設(shè)計3D打印打出來這種結(jié)構(gòu),，里面要打出孔來,，把納米和微米宏觀的結(jié)構(gòu)一次做出來。這個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),，像這個例子是做耳朵，直接打印,，不用從肋骨上拿一個東西再去修,，這樣可能就會對病人快一點,，少了些痛苦。這個時候就證明它可以長出骨頭來等等,，細節(jié)我就不講了,，因為時間的關(guān)系。后來發(fā)現(xiàn)它為什么長骨頭,，選擇性的吸收了一些蛋白,，這種蛋白促進了細胞的生長，細胞具有不同的形貌,，就導致了基因表達的變化,。這個細節(jié)也不講了，有發(fā)表的東西,，時間關(guān)系就跳過去了,。后來用這個東西去控制干細胞分化，就可以把干細胞變成骨頭細胞,，在這材料上長,。

    再舉一個例子，像骨質(zhì)疏松,，有一種藥叫PTH，這種東西可以減緩這個情況,，先給你打一針,，要打好長時間。病人是不太喜歡這個事情,，每天打一針很不方便,。我們在想一個辦法，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藥物，這樣就可以放在皮下,，就代替這個了,，不需要每天去打一針。現(xiàn)在我們也用這種東西做再生,。

    最后結(jié)束的時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,，里面外面都可以長細胞,，這樣長出來的軟骨細胞就非常好,，達到了和正常軟骨一樣的力學性能。這是在兔子里面做的,，現(xiàn)在我們做更大的動物,，想應(yīng)用到人體上來。這是一些項目,，這是現(xiàn)在的項目,，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，因為這個機器的問題我可能花的時間比別人多了,，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，包括我的合作者在德國,，他是醫(yī)生,，他有一個團隊做這個事情。包括美國的合作者也在做這個事情,。我也不敢說不能實現(xiàn),，但是這個可能要花很多時間，總之是一些不容易的事情,。

    骨頭看起來能實現(xiàn),，但實際上并不一定完全能實現(xiàn)，真正用到骨頭或者軟骨,，我們現(xiàn)在做到小動物和大動物,，前面也有一些人做過人體的，但是真正說徹底修復,，還沒有達到,，在人體上也只是達到了一種纖維性的軟骨，它不是純粹的軟骨,。我們希望用小球達到這個程度,，因為我們在兔子身上完全達到了，一個非常正常的軟骨,，想下一步解決這個問題,，現(xiàn)在做大動物,，做豬和狗的動物實驗。

    我想骨和軟骨這類結(jié)構(gòu)性的材料,，現(xiàn)在已經(jīng)到了實現(xiàn)的邊緣,，因為這種東西要說一個很準確的時間是很難的，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驗了,，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。