鐘世鎮(zhèn)院士團(tuán)隊骨骼3D打印進(jìn)入動物試驗(yàn)階段

7月9日，臺風(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。年過九旬的中國工程院院士鐘世鎮(zhèn)走下汽車，緩緩將車門關(guān)上，拎包走上臺階。若不是最近做了一個小手術(shù)，老人會堅持步行，提前10分鐘來上班。

他的學(xué)生 — 南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院院長黃文華教授，此時正在3D打印研究所內(nèi)看著一臺高精度打印機(jī)，一層一層打印著一根純骨質(zhì)、不夾雜金屬的脛骨。另一個學(xué)生———?dú)W陽鈞教授，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)測試，對比打印骨骼和真實(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，用來檢驗(yàn)和開發(fā)藥物。

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

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)研究所所長徐傳達(dá)教授設(shè)計的微創(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)打印出一個病變肝臟，肝靜脈、動脈、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打印的同時打好手術(shù)導(dǎo)軌，手術(shù)醫(yī)生操作時完全按導(dǎo)軌設(shè)定的區(qū)域進(jìn)行手術(shù)、固定即可。“但那畢竟沒有實(shí)質(zhì)性植入，只是參考意義而已。”

在此基礎(chǔ)上，黃文華開始考慮人體和動物骨骼的3D打印。他想做的是，用同種異體的骨粉作為打印材料。由于這種骨粉來自人類或同種動物，理論上會比單純用金屬材質(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。“這就是同種異體骨粉的概念，畢竟都是同一個生物屬種，生物相容性更高。”如果是打印人類骨骼，則同樣會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�去骨�?xì)胞活性的無生命物質(zhì)，骨粉與骨粉之間的聚合要依賴生物膠來完成。

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，取決于打印對象的長度、高度和厚度。骨粉的直徑一般在0 .1毫米級，層層累加最終形成骨骼時，可能需要數(shù)千乃至上萬層骨粉。

骨骼打印目前極限不能超過15厘米

想打印出“真正的骨頭”，單靠黃文華團(tuán)隊還不行，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，另一個就是高密度打印材料的研發(fā)。這兩個環(huán)節(jié)，也是將來生物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)方面的問題，打印出來的骨骼，肯定不會比原有骨骼牢靠。”

國際國內(nèi)通行的類似打印，在材料沒有得到突破性進(jìn)展的前提下，骨骼最長不能超過15厘米。如果再長，承載的力過大就容易斷裂。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、歐陽鈞教授的老本行。

歐陽鈞教授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的方向：生物力學(xué)。這本來是一個基礎(chǔ)得不能再基礎(chǔ)的課題，但被很多醫(yī)學(xué)同道忽略。“大家都知道如果對人體的脛骨施加巨大沖擊，脛骨會骨折甚至粉碎性骨折，但到底多大的力才造成這樣的傷害，沒人去研究。”

鐘世鎮(zhèn)院士團(tuán)隊上世紀(jì)90年代就開始做這方面的測試，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，安全氣囊以時速200公里打開時，可以擊斷孩子的脖子。哪怕一個輕微的撞車事故，只要觸發(fā)安全氣囊，都會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

和中國載人航天計劃進(jìn)行的合作，是團(tuán)隊做過的另一個大型試驗(yàn)。“返回艙從進(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，測試了人體各部位在撞擊情況下所受的力。“完成這些試驗(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)。”至今，楊利偉乘坐的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)臺尾端中間，樹著一根人體脛骨，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估。這就是歐陽鈞團(tuán)隊在做的人體力學(xué)研究，查找人體、實(shí)驗(yàn)對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)隊也進(jìn)行了一些生物力學(xué)測試，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。這個重?fù)?dān)落在了廣東省組織構(gòu)建與檢測重點(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)隊的非解剖領(lǐng)域?qū)＜遥�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)一個新的增長點(diǎn)。”邱小忠這樣定義自己在團(tuán)隊中的位置。

我國最早的組織工程研究熱潮興起于上世紀(jì)90年代末，當(dāng)時上海第九人民醫(yī)院曹誼林教授在美國發(fā)表了一篇關(guān)于裸鼠身上長人耳的文章，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)未來會有重大突破。

2006年邱小忠教授開始介入骨組織工程，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，不再是一個冷冰冰的鐵鉤或假肢，還能進(jìn)行一些受意識支配的簡單活動，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)隊合作，計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。

“樂觀估計，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”還只是個愿景，但黃文華已經(jīng)開始嘗試使用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，來填補(bǔ)這個復(fù)雜創(chuàng)口，通俗地說，就是在患者身上拆東墻補(bǔ)西墻，既要保證傷口這個“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3D打印技術(shù)就派上了用場。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。“做了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，還有一例五個手指全部來自腳趾移植。”

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)出各類對應(yīng)的細(xì)胞，直接打印出匹配的器官，將是遠(yuǎn)期愿景。“目前，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，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，理論上會比單純用金屬材質(zhì)打印的骨骼更易與人體相融。團(tuán)隊目前進(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　鐘世鎮(zhèn)院士團(tuán)隊

●鐘世鎮(zhèn)：中國工程院資深院士，著名解剖學(xué)專家。中國現(xiàn)代臨床解剖學(xué)奠基人，中國數(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，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，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，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)建與檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，研究人體組織工程學(xué)方向。

這項(xiàng)技術(shù)有利有弊吧   讓我想起了生化危機(jī)。。。

以后胳膊腿可以隨便換了  越來越像科幻小說里的場景了