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3D生物打印的革命:会跳动的心脏,会呼吸的肺和会生长的骨

3D打印技术参考 | 定位3D打印应用,定位未来。 2019/05/07 07:30

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整个四月至今,3D打印在生物医疗领域发出了一个接一个的重大消息,这些可能将改变未来医学的新进展包括3D打印的活性心脏、肺部器官以及能够生长发育的骨组织。在节后的第一天,我们以视频和文字的形式介绍这些新进展的基本情况以及它将给人类生活带来的改变。

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3D打印的完整心脏,拟一年后移植到动物体内

4月15日,以色列特拉维夫大学研究人员宣布,他们 用人类的脂肪组织 ,通过3D打印技术制作出了一颗“人造心脏”,虽然只是一个微缩版的原型,却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏”。

3D打印活体心脏的过程

•从患者脂肪组织中分离出细胞和α-细胞材料;

•脂肪细胞被诱导转化为胚胎干细胞;

•胚胎干细胞分化为心脏或内皮细胞等细胞;

•使用CT扫描,勾勒出心脏大体结构,包括心脏的形状、心房心室尺寸以及主要血管的走向;

•使用胶原蛋白和糖蛋白等材料,制作水凝胶,3D打印出可降解的生物支架或骨架;

•把分化好的细胞,培养进入支架相应的部位,最终培养出心脏结构。

目前,这颗心脏胞 可以收缩 ,但尚 不能像正常心脏一般搏动泵血 ,这也是研究人员们下一步的主攻方向。按计划,他们将在1年多后开启动物实验,研究这种人造心脏用于器官移植的可行性。

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心脏 3D打印过程

3D打印活性仿生骨,可在生物体内自然生长

4月18日,西北工业大学汪焰恩教授团队3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展,团队研制的3D打印活性仿生骨 可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致

骨缺损是骨科临床常见疾病,传统的金属、高分子材料人造骨没有生物学活性,无法在人体内发育。而此次3D打印的活性仿生骨则 可在生物体内“发育”,甚至使自体细胞在人造骨中生长 ,最终,人造骨与自然骨很好地生长在一起。

3D打印方法及技术难点:

采用激光对被打印对象进行片层扫描,还原对象的宏观和微观结构。

在配比材料、铺粉打印环节,传统3D打印的材料单一、密度一致、粉体单一、铺粉均匀,难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩团队不仅研制了一套打印控制系统,还攻克了打印的关键机械技术,实现了仿生打印的结构复杂、密度不均、复合粉体和非均一铺粉。

这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术,突破了细胞液、蛋白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈,处于国际先进水平。

汪焰恩教授团队目前 已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术 。下一步,他们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术,做到与自然皮肤非常接近,这无疑对于解决皮肤组织缺损具有重要意义。

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3D打印的仿生骨

光固化3D打印,制造具有复杂血管结构、会呼吸的肺

5月3日,《Science》最新一期封面文章带来了美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队的一项里程碑式发明,他们采用 立体光刻3D打印技术制造了肺部错综交缠的血管网络以及用于运输空气、淋巴液等物质的管道

这枚3D打印的肺具有完整的血管结构,能够朝周围的血管输送氧气, 完成“呼吸”过程

器官3D打印的最大难题:

器官3D打印的最大难题是无法打印那些为组织输送营养的血管以及器官内部独立的管道系统,如肺部既有血管又有气道,肝脏既有血管也有胆管,这些互相交织的管道网络在生理和生化上相互联系,其结构与其组织功能息息相关。 如何在3D打印器官的过程中兼顾多种不同的管道系统,成为了科学家们的研究重点

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3D打印的可呼吸肺泡组织

此次研究人员利用光固化 3D打印技术和一种特殊的光吸收剂形成技术 实现了血管和内部管道的制造。在实验过程中,研究团队通过多种人工组织模型验证了3D打印技术制造带有复杂血管结构的可行性。除了3D打印肺泡模型之外,他们还制造了肝脏组织,研究表明,这些肝细胞能在体内生存,这说明3D打印的肝脏组织中的血管能够有效为组织细胞输送养分。

END

从这三项重要进展也可以看出, 3D打印对于医疗的贡献是巨大的 。在未来10年,人们有可能会采用自身的组织细胞制造出活性的组织和器官,这无疑能够最大程度解决移植器官的供体短缺问题。虽然从实验研究到临床应用还有很长很长的路要走,但我们期待这些技术能够日臻完善,从而为人类未来生活带来新的希望。


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