鐘世鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)骨骼3D打印進(jìn)入動(dòng)物試驗(yàn)階段

本帖最后由莫七熊于 2015-7-15 22:28 編輯

7月9日,，臺(tái)風(fēng)“蓮花”正面襲粵,，下午2點(diǎn)15分,，南方醫(yī)科大學(xué)生命醫(yī)學(xué)樓前,，飄起星星點(diǎn)點(diǎn)的小雨,。年過(guò)九旬的中國(guó)工程院院士鐘世鎮(zhèn)走下汽車,，緩緩將車門關(guān)上,，拎包走上臺(tái)階。若不是最近做了一個(gè)小手術(shù),，老人會(huì)堅(jiān)持步行,，提前10分鐘來(lái)上班。

他的學(xué)生 — 南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)黃文華教授,，此時(shí)正在3D打印研究所內(nèi)看著一臺(tái)高精度打印機(jī),，一層一層打印著一根純骨質(zhì)、不夾雜金屬的脛骨,。另一個(gè)學(xué)生———?dú)W陽(yáng)鈞教授,，則在同一棟樓的廣東省生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行一次力學(xué)測(cè)試，對(duì)比打印骨骼和真實(shí)人體骨骼的抗壓差距,。樓道另一頭,，人體組織工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，邱小忠教授正在用10-20微米級(jí)的細(xì)胞搭積木,，他像變魔術(shù)一樣懸空搭出了人體乳腺癌的實(shí)體腫瘤,，用來(lái)檢驗(yàn)和開(kāi)發(fā)藥物。

黃文華團(tuán)隊(duì)利用骨粉和生物膠，成功打出動(dòng)物骨骼,，進(jìn)行移植后將研究其與真正骨骼之間的差距,。“樂(lè)觀估計(jì),，類似的打印骨頭將在5-6年內(nèi)投入臨床,，此前還有很長(zhǎng)的路要走�,！�

想最終成功打印出真正的人骨,，還需要另外兩部分研究的支撐：生物力學(xué)和3D打印材料研發(fā)，這兩方面正是歐陽(yáng)鈞教授和邱小忠教授的研究方向,。

骨粉加生物膠打出山羊和兔子骨骼

同一天,，在離南方醫(yī)科大學(xué)10多公里外的珠江醫(yī)院內(nèi)，今年4月中剛完成肝癌切除手術(shù)的吳先生正在復(fù)查,。之前肝癌合并復(fù)雜肝硬化的他原本要被切掉60%以上的肝臟,，嚴(yán)重影響生命安全，但一方面有南方醫(yī)科大學(xué)臨床解剖學(xué)研究所所長(zhǎng)徐傳達(dá)教授設(shè)計(jì)的微創(chuàng)外科入路的理論支撐,，另一方面黃文華教授用3D打印機(jī)打印出一個(gè)病變肝臟,，肝靜脈、動(dòng)脈,、門靜脈纖毫畢現(xiàn),，供外科專家提前實(shí)操、反復(fù)論證,，最后吳先生只切除了42.8%的肝臟,。

3D打印目前在醫(yī)學(xué)界最主要的應(yīng)用，依然停留在先模擬復(fù)雜情況,，讓醫(yī)生提前練手的階段,。再進(jìn)一步，就是在3D打印的同時(shí)打好手術(shù)導(dǎo)軌,，手術(shù)醫(yī)生操作時(shí)完全按導(dǎo)軌設(shè)定的區(qū)域進(jìn)行手術(shù),、固定即可�,！暗钱吘箾](méi)有實(shí)質(zhì)性植入,，只是參考意義而已�,！�

在此基礎(chǔ)上,，黃文華開(kāi)始考慮人體和動(dòng)物骨骼的3D打印。他想做的是,，用同種異體的骨粉作為打印材料,。由于這種骨粉來(lái)自人類或同種動(dòng)物,，理論上會(huì)比單純用金屬材質(zhì)打印的骨骼更易與人體相融。

3D打印的肝臟血管模型

他的團(tuán)隊(duì)目前進(jìn)行了山羊和兔子的骨骼3D打印,，分別用的是山羊和兔子的骨粉,，再加生物膠�,！斑@就是同種異體骨粉的概念,，畢竟都是同一個(gè)生物屬種，生物相容性更高,�,！比绻谴蛴∪祟惞趋溃瑒t同樣會(huì)取人類的骨粉作為打印材料,，生物膠則起粘合作用,，因?yàn)楣欠郛吘故鞘ス羌?xì)胞活性的無(wú)生命物質(zhì)，骨粉與骨粉之間的聚合要依賴生物膠來(lái)完成,。

3D打印采用的是逐層掃描打印,，一層纖細(xì)的骨粉，再加上一層生物膠,，最終需要多少層，取決于打印對(duì)象的長(zhǎng)度,、高度和厚度,。骨粉的直徑一般在0 .1毫米級(jí)，層層累加最終形成骨骼時(shí),，可能需要數(shù)千乃至上萬(wàn)層骨粉,。

骨骼打印目前極限不能超過(guò)15厘米

想打印出“真正的骨頭”，單靠黃文華團(tuán)隊(duì)還不行,，還需要另外兩部分研究的支撐：一是生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)支持和修改方案,，另一個(gè)就是高密度打印材料的研發(fā)。這兩個(gè)環(huán)節(jié),，也是將來(lái)生物3D打印的關(guān)鍵環(huán)節(jié)所在,。

3D打印的足部骨骼模型

“目前在山羊和兔子身上進(jìn)行的骨骼打印，取得了一定進(jìn)展和效果,，但問(wèn)題依然存在,。比如生物相融性，畢竟不是用這只兔子自己的骨粉作為材料,，排異現(xiàn)象依然存在,。還有生物力學(xué)方面的問(wèn)題，打印出來(lái)的骨骼,，肯定不會(huì)比原有骨骼牢靠,。”

國(guó)際國(guó)內(nèi)通行的類似打印，在材料沒(méi)有得到突破性進(jìn)展的前提下,，骨骼最長(zhǎng)不能超過(guò)15厘米,。如果再長(zhǎng)，承載的力過(guò)大就容易斷裂,。這就涉及到廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,、歐陽(yáng)鈞教授的老本行。

歐陽(yáng)鈞教授1991年就讀鐘世鎮(zhèn)院士的研究生,，起初一直在骨關(guān)節(jié),、肌肉、纖維組織方面進(jìn)行研究,，然后鐘院士給他敲定了將來(lái)的方向：生物力學(xué),。這本來(lái)是一個(gè)基礎(chǔ)得不能再基礎(chǔ)的課題，但被很多醫(yī)學(xué)同道忽略,�,！按蠹叶贾廊绻麑�(duì)人體的脛骨施加巨大沖擊，脛骨會(huì)骨折甚至粉碎性骨折,，但到底多大的力才造成這樣的傷害,，沒(méi)人去研究�,！�

鐘世鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)上世紀(jì)90年代就開(kāi)始做這方面的測(cè)試,，一方面是為了掌握最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，另一方面也能逆向倒推相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制,。1997年前后,，團(tuán)隊(duì)做了一項(xiàng)兒童轎車撞擊安全試驗(yàn)，利用標(biāo)本接受撞擊,，發(fā)現(xiàn)未成年兒童(14歲以下組)一旦坐前排遭遇撞車,，安全氣囊以時(shí)速200公里打開(kāi)時(shí)，可以擊斷孩子的脖子,。哪怕一個(gè)輕微的撞車事故,，只要觸發(fā)安全氣囊，都會(huì)給孩子脆弱的頸椎造成致命性傷害,。

3D打印的受損頭骨模型

和中國(guó)載人航天計(jì)劃進(jìn)行的合作,，是團(tuán)隊(duì)做過(guò)的另一個(gè)大型試驗(yàn)�,！胺祷嘏搹倪M(jìn)入大氣層到最終著陸,，要怎樣保障好航天員的安全，我們以數(shù)字人,、數(shù)字醫(yī)學(xué)為基礎(chǔ),，做了很多試驗(yàn),。”歐陽(yáng)鈞和同事們模擬了N套各種情況下艙內(nèi)宇航員受傷的情境,，用上假人和標(biāo)本去驗(yàn)證,，測(cè)試了人體各部位在撞擊情況下所受的力�,！巴瓿蛇@些試驗(yàn)后,，我們將數(shù)據(jù)交給航空航天研究所，進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn),�,！敝两瘢瑮罾麄コ俗�1：1返回艙實(shí)驗(yàn)座椅,，還擺放在學(xué)校的展館里,。

在廣東省生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)臺(tái)尾端中間,，樹(shù)著一根人體脛骨,，加速撞擊裝置用不同的速率、力度,，從不同角度撞擊它,，然后觀察損毀效果做出評(píng)估。這就是歐陽(yáng)鈞團(tuán)隊(duì)在做的人體力學(xué)研究,，查找人體,、實(shí)驗(yàn)對(duì)象在各種沖擊力狀態(tài)下的安全閾值，這些閾值將是黃文華團(tuán)隊(duì)骨骼3D打印的參照標(biāo)準(zhǔn),。

等待組織工程學(xué)打印材料研究突破

完成兔子和山羊的骨骼3D打印后，黃文華團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了一些生物力學(xué)測(cè)試,，發(fā)現(xiàn)要達(dá)到原有骨骼的強(qiáng)度和韌性,，還需要找出更好的生物材料。這個(gè)重?fù)?dān)落在了廣東省組織構(gòu)建與檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任邱小忠教授肩上,。

邱小忠是主攻組織工程學(xué)的專家,，對(duì)黃文華教授的寄望，他表示壓力很大,。他是鐘世鎮(zhèn)院士特召入團(tuán)隊(duì)的非解剖領(lǐng)域?qū)＜�,，承�?dān)著使傳統(tǒng)解剖學(xué)由3.0向4.0邁進(jìn)的重大使命。

“組織工程學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科,，涉及材料化學(xué),、細(xì)胞學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)工程各領(lǐng)域的技術(shù)和手段，它是解剖學(xué)一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn),�,！鼻裥≈疫@樣定義自己在團(tuán)隊(duì)中的位置,。

我國(guó)最早的組織工程研究熱潮興起于上世紀(jì)90年代末，當(dāng)時(shí)上海第九人民醫(yī)院曹誼林教授在美國(guó)發(fā)表了一篇關(guān)于裸鼠身上長(zhǎng)人耳的文章,，組織工程學(xué)迅速成為熱點(diǎn),。鐘世鎮(zhèn)院士也敏銳捕捉到這一熱點(diǎn)，認(rèn)為組織工程學(xué)未來(lái)會(huì)有重大突破,。

2006年邱小忠教授開(kāi)始介入骨組織工程,，利用人頭發(fā)里的角蛋白，制備人工骨膜,。隨后他又將人發(fā)角蛋白引申到生物材料領(lǐng)域,，用頭發(fā)(人發(fā)角蛋白)做生物導(dǎo)電材料，用作電子傳感元件,，類似人的電子皮膚,，能根據(jù)溫度、濕度的變化而變化,。

“它作為一個(gè)重要的電子傳感元件,，在假肢、人工皮膚等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,。比如說(shuō)殘肢患者,，使用了這類電子傳感元件構(gòu)筑的機(jī)械臂，能夠部分接受大腦中樞的控制,，不再是一個(gè)冷冰冰的鐵鉤或假肢,，還能進(jìn)行一些受意識(shí)支配的簡(jiǎn)單活動(dòng)，例如端茶遞水,�,！�

在3D打印的活性材料研制方面，邱小忠正和加拿大的科學(xué)團(tuán)隊(duì)合作,，計(jì)劃在生物支架上種植肝腎細(xì)胞,，以此制備出合格的器官、組織,。

“樂(lè)觀估計(jì),，類似的打印骨頭，將在5-6年內(nèi)投入到臨床,，在此之前還有許多的路要走,。”黃文華表示,。雖然在臨床上使用打印出的“真正的骨頭”還只是個(gè)愿景,，但黃文華已經(jīng)開(kāi)始嘗試使用3D打印技術(shù)，幫助手指完全離斷或部分離斷且無(wú)法斷肢再植的患者進(jìn)行大膽“拼裝”,。

鐘世鎮(zhèn)院士記憶猶新,，上世紀(jì)80年代后的廣東,，工傷事故高發(fā)，傷者往往是斷肢,、巨大傷口,、復(fù)雜傷口的重癥患者。這就需要從傷者身體其他部位截取一段帶有皮膚,、肌肉,、血管的皮瓣，來(lái)填補(bǔ)這個(gè)復(fù)雜創(chuàng)口,，通俗地說(shuō),，就是在患者身上拆東墻補(bǔ)西墻，既要保證傷口這個(gè)“西墻”能愈合,，又不能影響“東墻”的功能,，“目前能夠取皮瓣的地方，基本已被開(kāi)發(fā)殆盡”,。

但工傷事故還經(jīng)常出現(xiàn)斷肢甚至斷肢全部被絞碎的情況,，這時(shí)3D打印技術(shù)就派上了用場(chǎng)。黃文華用3D打印出手掌的斷截面,，從患者的腳指頭中截取復(fù)合皮瓣,，用腳趾替代手指�,！白隽�3例類似手術(shù),，一例用腳拇指替代手拇指，一例從雙腳各截取兩趾移植為手部指頭,，還有一例五個(gè)手指全部來(lái)自腳趾移植,。”

黃文華認(rèn)為,，如果能用有活性的細(xì)胞進(jìn)行打印,，用干細(xì)胞誘導(dǎo)出各類對(duì)應(yīng)的細(xì)胞，直接打印出匹配的器官,，將是遠(yuǎn)期愿景�,！澳壳�,，3D打印研究所已經(jīng)加入廣東省3D打印產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，在和生物力學(xué),、組織工程學(xué)進(jìn)行完美結(jié)合的同時(shí),，我們有信心打印出私人定制似的健康器官�,！�

最新成果

●用同種異體的骨粉作為打印材料,，理論上會(huì)比單純用金屬材質(zhì)打印的骨骼更易與人體相融,。團(tuán)隊(duì)目前進(jìn)行了山羊和兔子的骨骼3D打印，分別用山羊和兔子的骨粉再加生物膠,，進(jìn)行移植后將研究其與真正骨骼之間的差距,。

TA們是誰(shuí)　鐘世鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)

●鐘世鎮(zhèn)：中國(guó)工程院資深院士，著名解剖學(xué)專家,。中國(guó)現(xiàn)代臨床解剖學(xué)奠基人,，中國(guó)數(shù)字人和數(shù)字醫(yī)學(xué)研究的倡導(dǎo)者。

●黃文華：南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng),，主要研究方向是3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,。

●丁自海：微創(chuàng)外科解剖學(xué)研究所所長(zhǎng)，研究微創(chuàng)外科大范圍應(yīng)用基礎(chǔ)上的人體解剖領(lǐng)域,。

●徐傳達(dá)：南方醫(yī)科大學(xué)臨床解剖學(xué)研究所所長(zhǎng),，主攻人體解剖領(lǐng)域的皮瓣移植方向，主要用于復(fù)雜,、大面積創(chuàng)口的自體移植修復(fù),。

●歐陽(yáng)鈞：廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，生物力學(xué)專家,。

●邱小忠：廣東省組織構(gòu)建與檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,，研究人體組織工程學(xué)方向。