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骨组织3D打印真能让人“脱胎换骨”

2016-06-13 09:58
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  头颅高耸,前额扁平,眉骨眼眶深度内陷,顶骨开裂,8个月的男婴活像个“外星人”。上海儿童医学中心神经外科鲍南主任医师将3D打印技术运用于严重小儿狭颅症的矫治手术中,并获得成功。患儿5月31日出院,迎接了自己的首个六一儿童节。

  5月中旬,上海儿童医学中心通过手术影像检查发现,患儿患有非常严重的狭颅症,又称颅缝早闭或颅缝骨化症,这是一种胎儿生长发育过程中可能出现的疾病,新生儿发生率为0.6/1000。一般而言,人脑在出生2个月后,脑重量会增加20%,到6个月时增加一倍,为了给脑预留足够的生长空间,人在出生后,颅骨之间会留有数条缝隙,直到脑发育完成后,颅缝才会逐渐闭合。如果缝隙过早闭合的话,颅腔就太小了,会压迫和限制正在迅速发育中的脑组织,引起颅内压增高,并可能引起脑功能障碍。因此必须在患儿发育关键期来临之前进行手术治疗。

  男婴头似“外星人”,医生3D打印重拼颅骨

  骨组织工程学(BTE)的基本思路:干细胞+支架材料+构建

  主刀医生鲍南表示,3D技术的运用使颅骨整形更具精确性,在塑形的同时还可以使重塑后的面容更具家族特征。更重要的是,颅骨整形有利于患儿大脑发育,使孩子的智力、情感得到正常发展。鲍南介绍,手术有两个重要的目的。一是要把患者畸形的颅骨全部拆卸,松解被压迫的大脑。二是对颅骨进行分割,逐个塑成需要的形状,再重新拼接,这个过程就像玩拼图一样。

  然而,手术不仅需要技术,还要有立体裁剪的艺术美感,对于这个不到1周岁的孩子来说风险很大,也可能存在出血的可能。因此,手术前考虑采用3D建模的形式等比例还原患儿头骨,在模型上预先设定裁剪方案、手术切割线等,确保“精准手术”。

  5月21日,手术经历4小时顺利完成,术后7天“拆线”,经过几天的恢复期,“外星人男婴”已经逐渐呈现出完美的头型。

  骨组织工程学为骨缺损修复提供希望

  在过去的十多年里,科学家们已经开始用组织工程学的手段,在实验室里培养制造人体器官(例如耳朵),而今天科学家们更多地在探索骨骼领域的组织再造,而且是用打印机直接打出来。

  自骨外科手术时代开启一百年以来,骨缺损就一直是个困扰医学界的大难题。迄今为止,人类使用的自体移植骨、异体移植骨、异种骨都不能满足广泛的、复杂情况下的治疗需要,且这样那样的各种植骨并发症令人烦恼。上世纪90年代以来的骨组织工程学(Bone Tissue Engineering,BTE)则为骨缺损修复提供了长期希望。

  一个完整的BTE是由四个不可或缺的要素构成的:多能分化的干细胞,能够在体内外发展为成骨细胞,继而生成骨细胞;干细胞发育生长的骨架、通常是具备生物活性、模拟人体微孔结构的的无机或有机材料;促进分化、成骨和骨组织成熟的各种细胞因子;新骨发育和修复过程中所必需的血液循环。除了具备以上四个因素外,还有一个最关键、也是最难的问题,是实现以上各个要素的整合,真正建构出一个组织工程骨来。

  借3D打印把骨组织直接打印出来

  骨组织工程学这么好,在临床应用方面的进展却只能用“慢慢吞吞”来形容。迟缓的原因,最主要就两个:一是复杂而慢;二是不经济。骨缺损的修复不容许有漫长时间的等待,如旷日持久的实验室制备、合成、培养,这也会让治疗的经济代价高得不切实际,骨缺损的更需要有个性化的方案。正如到上海儿童医学中心求治的“外星人男婴”,主刀医生鲍南就表示,每一例狭颅症的矫形手术都是独一无二的。

  在1999—2004年这段时间里,3D打印开始被用于细胞支架材料的打印,这可是个革命性的进步,骨组织工程学治疗所需的生物支架材料可以不受批量生产的限制,随时打印随时取用了。

  是否可以用3D打印的方式,直接将细胞、蛋白分子和支架材料一股脑儿地直接打印出一个立体结构来呢?有位俄罗斯科学家Mironov认为,这是可行的。2009年,Mironov先生首先用计算机模拟出一个骨缺损部位的立体形态,然后进行3D的细胞、支架、成骨因子“一揽子”打印,再在培养箱里进行短时间的“孵育”,然后就可以把这个完全个性化地、同时具备人体新生骨骼一切必备要素的3D打印骨,移植在患者身上。Mironov把这个称之为“生物复制”。这个在骨科领域提出的“生物复制”概念,准确地说,是用当时还很新潮的3D打印技术,把骨组织直接打印出来。

  3D打印技术应用于骨组织的直接打印,发展到今天,已经日渐成熟。在“外星人男婴”的治疗过程中,主刀医生鲍南表示,以前进行颅骨矫形手术全靠术中解剖后按实际情况凭经验实施,到底效果如何只能等手术结束,头皮缝合完后才能看出来。现在运用3D打印技术,术前就按1∶1的比例重现了畸形的头骨,鲍南医师一边在脑中想象着裁剪方案,一边在这个立体的、真实的头骨模型上画下了手术切割线。实物模型不仅为手术方案提供精准指南,还可以通过提前测量父母面部数据,为患儿塑形后的面容体现父母特征提供依据。

  骨打印会变得越来越方便越来越快速

  在Mironov的启发下,欧洲、美国的多支研究团队开发出了符合上述理念的3D打印骨制造技术。其中具有代表性的有“光固化成型”(或称“立体光雕”)技术。方法是,将细胞、蛋白质分子培养在一个基质溶液池子里,然后将激光束或紫外线射入这锅“细胞汤”,池子里的基质液体是光敏感性的,受照射后就快速凝固,通过控制光照的方向可以制造出3维形状的固体出来。这就好比是在家里自制布丁,所不同的是,用这种方法做出来的,是一个布丁液中的特殊形状布丁。立体光雕法的好处在于成型快速,但是缺点是每一层固化体之间的细胞流动和沟通不太通畅。

  还有一种方法叫“生物墨水”技术,所用到的就如普通打印机那样的简易设备,不但廉价、安全、而且高度自动化。用这种方式打印出来的3D骨还具有很好的微孔性能,便于细胞的移动和增殖。缺点就是无法打那些体型较大的干细胞,没办法,还是喷嘴的缘故。

  此外还有Bio-Plotting等简单易行的注射打印技术。可以说,骨打印会变得越来越方便、越来越快速,在3D打印一次性构建新生骨的同时,科学家们还通过基质(支架)材料不断优化、微孔性能不断改良的努力,使得这种3D打印出来的骨组织,在植入体内后,能够快速吸引新生血管的长入、钙磷等矿物质的沉淀、以及血液中各种细胞因子的汇聚,使得3D打印骨在最短的时间里变得坚固、与人体自身的骨骼融为一体。

  3D打印的骨组织不仅为临床上大量的骨缺损患者带来了经济、高效、个性化的福音,还能够被用于药物试验、以及各种少见的骨疾病的研究,大大地改变我们的世界。

  未来的3D打印骨,一定是在各项性能上与人体骨骼更加接近,并且能够随时打印、随时植入的,其方便程度,也许技术人员只需像今天的打字员那样,轻描淡写地问医生:“您是要喷墨的,还是要激光打印?”

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